超表面等效电路模型和极化率提取方法_ACT_电路_ANSA_电场_理论_材料

超表面等效电路模型和极化率提取方法

超表面极化率提取和等效电路模型在电磁学和材料科学中具有重要意义，在不同层面上提供了对复杂电磁结构和材料的深入理解和分析方法。而超表面作为一种可行的天线结构模式，特别是对于大孔径，其固有的无源结构提供了相当大的好处。

极化率模型中是假设元件可以描述为点偶极子，通过全波数值模拟进行确认。对于被描述为点偶极子或点偶极子集合的元件，其尺寸应足够亚波长，以便其场在波导内外都能由适当的格林函数很好地描述。在点偶极子假设的情况下，可以从馈送超材料元件的波导内的透射波和反射波中推断出元件的有效极化率。

极化率提取的方法如图所示，该图显示了具有入射电场和散射n模的波导的横截面。

对于此分析，我们假设矩形波导在高于最低TE模式的截止频率和低于第一高阶模式的截止温度的频率下工作。

在这种情况下，只有一种传播模式——TE10模式——其形式如下

超材料元件可以被视为对波导的扰动，通常会激发所有模式，因此元件散射产生的场必须严格表示为所有可能模式的总和。由于除TE10模式外的所有其他模式都超过了截止值，它们将以指数方式远离元件衰减，导致产生有助于有效集总电感或电容的无功场。

在偶极框架中，决定散射场和辐射场的是超材料元件的有效偶极矩p͈和m。根据以下公式，与超材料相关的有效偶极矩可以通过极化率与入射场相关联起来：

将两个极化率分量与波导中的透射场和反射场联系起来，我们首先应用归一化条件

因此，得模式系数为

极化率可以用散射参数表示为

对于偶极近似提供了元件的适当描述的情况，与散射参数相关的极化率方程足以作为表征波导馈电超材料元件的一种手段。这种近似的有效程度反过来取决于耦合模理论中许多假设的有效性。

而，超表面s参数的获取可以参考下面文章，

S参数反演电磁特性和Floquet端口提取超材料S参数的方法介绍

等效电路模型

在将散射参数与超材料孔径相关的等效极化率相关联后，讨论将S参数与传输矩阵或ABCD矩阵相关联是有很大意义的。

可以用简单的公式级联多个元素（假设除了散射之外没有其他相互作用）。

然而，通过观察传输矩阵元素，也可以推断出超材料孔径的等效电路模型。电路模型与其等效极化率之间的联系为元表面设计提供了强大的工具。

考虑三种情况：磁偶极子、电偶极子以及磁偶极子和电偶极子的组合。

通过考虑第一个单偶极子分量，更容易理解阻抗模型的出现。

获取了散射参数后，通过变换可以直接计算传输矩阵

可以发现，T11=T22=1 , T21=0

ABCD矩阵的形式，对角线元素等于1，T21=0，意味着一个由串联阻抗组成的电路模型，能够将T12=Z与得到的传递矩阵相等

等效电路模型如图所示

考虑辐射阻尼时磁极化率情况的等效电路，

参考文献

[1] D. R. Smith, M. Sazegar and I. Yoo, "Equivalence of Polarizability and Circuit Models for Waveguide-Fed Metamaterial Elements," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 73, no. 1, pp. 7-21, Jan. 2025, doi: 10.1109/TAP.2024.3439728.

来源：微波工程仿真

整流天线（Rectenna）

随着低功耗集成电路和无线系统的发展，许多研究集中在通过收集环境中的电磁能量为这些电路和系统供电的可行性上。无线功率传输（WPT）技术是一种潜在的清洁和可再生能源替代方案，适用于无线充电和无电池解决方案。而在远距离无线功率传输中整流天线起着关键作用。目录整流天线（Rectenna）技术以及发展参考文献 RectennaAs shown below👇整流天线（Rectenna）在WPT中的应用WPT技术主要分为三类：近距离感应技术：适用于短距离功率传输。中距离磁耦合共振技术：适用于中等距离的功率传输。远场整流技术：适用于远距离功率传输，通常与整流天线（Rectenna）的开发相关。整流天线（Rectenna）整流天线由接收天线和整流电路组成，是WPT系统的核心模块。WPT系统的整体性能通常由天线和整流电路的效率决定。过去的研究中，使用了多种天线结构，如偶极子、微带贴片、环形天线、螺旋天线、共面贴片和抛物面天线等。对于WPT应用，天线需要具有高增益以捕获更多的射频（RF）功率，因此使用单个天线元件通常不适用，而天线阵列是更优的选择。圆极化（CP）天线在WPT中具有优势，因为它对发射器和接收器的定位和方向不敏感，能够提供恒定的直流输出电压。目前对毫米波整流天线的研究已有很多，尽管毫米波整流天线的效率仍然较低，但其尺寸小、功率密度高的优势使其在远距离无线功率传输中具有吸引力。毫米波技术的成本下降和普及也推动了毫米波能量收集器的发展。整流天线的技术以及发展在整流天线设计过程中常用的技术有，圆极化（CP）天线 - 减少极化失配损耗，抑制多径干扰- 适用于无线功率传输（WPT）系统高增益天线设计- 使用天线阵列提高增益 - 基片集成波导（SIW）技术提高天线性能多频段天线- 支持双频段或多频段操作手性结构（Chiral Structures）-通过手性结构实现双感圆极化（LHCP和RHCP）在整流天线的设计中，圆极化（CP）天线因其能够减少极化失配损耗并抑制多径干扰，成为无线功率传输系统的理想选择。与线极化（LP）天线相比，圆极化天线能够在不同极化方向上接收电磁波，从而显著提高能量收集效率。然而，单频段毫米波整流天线通常面临接收天线增益较低或带宽有限的问题，限制了其在多频段应用中的潜力。为了克服单频段整流天线的局限性，多频段整流天线的设计逐渐成为研究热点。多频段整流天线能够同时捕获多个频段的微波能量，显著扩展了其应用范围。在毫米波频段，由于传播损耗高、波长短和制造公差严格，实现高效阻抗匹配和小型化设计具有较大的挑战性。近年来，手性结构（Chiral Structures）作为一种新兴技术，为双频段双感圆极化（DBDS CP）天线的设计提供了新的思路。手性结构能够旋转线极化波的极化平面，并在两个不同频段实现相反的圆极化（左旋圆极化LHCP和右旋圆极化RHCP）。参考文献 [1] S. Ladan, A. B. Guntupalli and K. Wu, "A High-Efficiency 24 GHz Rectenna Development Towards Millimeter-Wave Energy Harvesting and Wireless Power Transmission," in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 61, no. 12, pp. 3358-3366, Dec. 2014, doi: 10.1109/TCSI.2014.2338616. [2] Y. Wang, H. Pan and T. -T. Chan, "A Dual-Band Dual-Sense Circularly Polarized Rectenna for Millimeter-Wave Power Transmission," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 73, no. 1, pp. 96-107, Jan. 2025, doi: 10.1109/TAP.2024.3489213.来源：微波工程仿真