等效介质理论模型---利用S参数反演法提取超材料结构的等效参数

等效介质理论模型---利用S参数反演法提取超材料结构的等效参数

S参数反演法，即利用等效模型的传输矩阵和S参数求解超材料结构的等效折射率n和等效阻抗Z的过程。本文对等效介质理论模型进行了详细介绍，并提供对应代码。

超材料的传输矩阵

超材料结构的传输矩阵函数为：



其中，d 为等效光学活性材料的厚度，n 为折射率，Z 表示阻抗。

S参数和传输矩阵T

超材料结构的S参数和传输矩阵T满足下列方程：



利用以上两式，可以得到等效折射率n和相对阻抗的表达式



至此，超材料的等效介电常数与等效磁导率可通过阻抗与折射率进行表征，

其表达式为：

对应代码

clc;
clear;
S11r = importdata('real11.txt'); %导出的S11参数实部
S11i = importdata('imag11.txt'); %导出的S11参数虚部
S21r = importdata('real21.txt'); %导出的S21参数实部
S21i = importdata('imag21.txt'); %导出的S21参数虚部
real11 = S11r.data;
imag11 = S11i.data;
real21 = S21r.data;
imag21 = S21i.data;
N = 1001;
d = 5e-3; %超材料结构的厚度
c = 3e8;
for i = 1 : N
    f(i) = real11(i,1);
    s11(i) = real11(i,2) + j * imag11(i,2);
    s21(i) = real21(i,2) + j * imag21(i,2);
end
for i = 1 : N
    z1(i) = sqrt(((1+s11(i))^2 - s21(i)^2)./((1-s11(i))^2 - s21(i)^2));
    if real(z1(i))>0
        z(i) = z1(i);
    else
        z(i) = -z1(i);
    end
    kd(i) = d * 2 * pi * f(i) * 1e9/c;
    n1(i) = acos(((1-s11(i))^2 + s21(i)^2)/2/s21(i))/kd(i);
    if imag(n1(i))>0
        n(i) = n1(i);
    else
        n(i) = -n1(i);
    end
    e(i) = n(i)/z(i);
    miu(i) = n(i) * z(i);
end
figure %绘图
plot(f,real(z)); hold on; plot(f,imag(z),'r');
figure
plot(f,real(n)); hold on; plot(f,imag(n),'r');
figure
plot(f,real(e)); hold on; plot(f,imag(e),'r');
figure
plot(f,real(miu)); hold on; plot(f,imag(miu),'r');

[1] Chen X, Grzegorczyk T M, Wu B I, et al. Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials[J]. Physical Review E, 2004, 70(1): 016608.

[2]张克潜, 李德杰. 微波与光电子学中的电磁理论（第二版）. 北京电子工业出版社,

2001, 110–166.