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CST MATLAB 联合仿真超材料开口谐振环单元

news 2025/8/11 9:04:12

使用CST Studio Suite与MATLAB联合仿真超材料开口谐振环（SRR）单元的指南

1. CST中开口谐振环建模

1.1 几何结构设计

单元结构：SRR由两个同心金属环组成，内环与外环之间通过开口连接。典型参数：
- 外环内径：60 μm
- 内环外径：40 μm
- 开口宽度：5 μm
- 金属线宽：2 μm
- 周期排列：单元周期P=100 μm（x/y方向）
材料设置：
- 金属：铜（电导率σ=5.8×10⁷ S/m）
- 介质基底：聚酰亚胺（相对介电常数εᵣ=3.5，厚度h=50 μm）

1.2 CST建模步骤

创建基底：使用Brick模块绘制矩形基底，设置尺寸为100×100×50 μm³。
绘制SRR结构：
- 使用Curve→Circle绘制外环（半径30 μm）和内环（半径20 μm）。
- 通过Boolean Subtraction操作在内环中心挖去一个矩形开口（尺寸10×5 μm）。
设置边界条件：
- 电磁波垂直入射：设置Periodic Boundary（x/y方向）和Open Boundary（z方向）。
- 端口激励：添加Port（TE模式，激励方向沿z轴）。
网格划分：使用Hexahedral Mesh，设置最大网格尺寸为2 μm。

2. MATLAB自动化控制

2.1 CST API接口配置

% 启动CST并加载项目
cst = actxserver('CST.MWSApplication');
project = cst.OpenProject('SRR.cst');% 设置仿真参数
project.Parameter("Freq_Start").Value = 0.1e12;  % 起始频率100 GHz
project.Parameter("Freq_Stop").Value = 3e12;     % 终止频率300 GHz
project.Parameter("Step").Value = 1e9;           % 步长1 GHz% 运行仿真
solver = project.SetupSolver('Time Domain');
solver.Special("ComputeTime", 100e-12);  % 计算时间100 ps
solver.Run();

2.2 参数化扫描（示例：开口宽度优化）

% 定义参数范围
g_values = ;  % 开口宽度3-7 μm
results = struct();for i = 1:length(g_values)% 更新几何参数project.Parameter("Gap_Width").Value = g_values(i);project.SaveAs(sprintf('SRR_gap%d.cst', g_values(i)));% 运行仿真solver.Run();% 提取S参数s_params = project.GetResults('S_Parameters');results(i).S11 = s_params.GetData('dB(S(1,1))');results(i).S21 = s_params.GetData('dB(S(2,1))');
end

3. 结果分析与优化

3.1 谐振频率与Q值计算

% 提取谐振峰位置
f_res = zeros(size(g_values));
Q = zeros(size(g_values));for i = 1:length(g_values)% 拟合S11曲线f = results(i).S11(:,1);s11 = results(i).S11(:,2);p = polyfit(f, s11, 3);  % 三次多项式拟合% 寻找最小反射点（谐振频率）[~, idx] = min(p(2,@ref));f_res(i) = f(idx);% 计算Q值Q(i) = (f_res(i)/0.1) / (f(idx+1) - f(idx-1));  % 半高宽法
end% 绘制结果
figure;
subplot(2,1,1);
plot(g_values, f_res*1e-12, '-o');
xlabel('开口宽度 (μm)');
ylabel('谐振频率 (THz)');
title('开口宽度对谐振频率的影响');subplot(2,1,2);
plot(g_values, Q, '-o');
xlabel('开口宽度 (μm)');
ylabel('品质因数 Q');
title('开口宽度对Q值的影响');

3.2 场分布可视化

% 提取场监视器数据
field_monitor = project.GetMonitor('E_Field');
E_data = field_monitor.GetData('E-Vector');% 绘制电场分布
figure;
quiver(E_data.X, E_data.Y, E_data.Ex, E_data.Ey);
title('SRR表面电场分布');
xlabel('X (μm)');
ylabel('Y (μm'));