超表面—電容或變?nèi)荻O管調(diào)焦反射鏡

可變焦的超表面（focus tunable metasurface）類型反射鏡具有超薄、智能可控等特點(diǎn)，可用于成像、顯微等應(yīng)用。而且經(jīng)常有朋友問如何用電容或二極管調(diào)控超材料，這期我們就用個(gè)簡單的案例看看調(diào)控效果。

1. 單元仿真

單元尺寸我們用16x16x2mm, 介質(zhì)eps=2.5，上面兩片銅片，下面銅層為地。中間畫一個(gè)空氣盒子，一來方便我們畫電容，二來可用空氣盒子對縫隙進(jìn)行網(wǎng)格加密。

是的，這里用的就是普通的集總電容，電容值可以參數(shù)化，比如就叫“cap”。邊界可限制X軸極化，端口相位去嵌到表面。

如果有可變電容的數(shù)據(jù)，我們可以直接仿真用。這里我們假設(shè)沒有這些信息，我們做個(gè)電容值的參數(shù)掃描。

S11的相位。我們?nèi)?.5GHz工作頻率，有廣泛的相位可用。

可用后處理將相位unwrap，然后提取6.5GHz相位對電容的曲線：

2. 二維平面（相同電容）

為了驗(yàn)證焦點(diǎn)通過相位可調(diào)，我們復(fù)制單位結(jié)構(gòu)成一列，然后看XZ平面上的焦點(diǎn)位置。激勵(lì)我們換成平面波，極化方向?yàn)閄軸。

仿真結(jié)束，看電場（總場）。

這里簡單回顧：

復(fù)制項(xiàng)目，將所有結(jié)構(gòu)排除仿真，由于是Hex網(wǎng)格，網(wǎng)格能夠保持不變。然后仿真入射平面波：

然后導(dǎo)入完整場結(jié)果，電場是m3d格式，運(yùn)行后處理完成導(dǎo)入：

將兩個(gè)電場相減，得到散射場：

可見相同的電容，并不能形成焦點(diǎn)：

3. 二維平面（可調(diào)電容）

我們根據(jù)相控天線的相位差計(jì)算公式，可計(jì)算兩側(cè)單元的領(lǐng)先相位，以及所需電容。

修改電容后，重新仿真，獲取散射場，場類型為RMS值，可見焦點(diǎn)：

用另一組電容仿真，可將焦點(diǎn)調(diào)遠(yuǎn)：

波動(dòng)方向示意：

小結(jié)：

1.所謂可編程超表面，或智能表面等應(yīng)用，很多時(shí)候我們可以將其簡化為無源器件進(jìn)行仿真，比如加個(gè)電容。

2.本案例超表面運(yùn)用相控陣列天線的控制原理。文中雖然只展示了XZ平面，焦點(diǎn)在Z方向上調(diào)整，不過足以證明仿真不限于此，可將焦點(diǎn)向更多方向及焦點(diǎn)調(diào)控。

3.本案例運(yùn)用了參數(shù)掃描，相位去嵌，場處理等功能。邊界用到E，M，open（add space）還有periodic。用戶可嘗試不同的邊界組合，觀察電場分布，理解這些邊界仿真的是什么情景。