仿真软件在超材料研究中的最新应用.pdf

《仿真软件在超材料研究中的最新应用.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第33卷第9期研究简报93仿真软件在超材料研究中的最新应用文／闫俊伢山西大学商务学院摘要：介绍了超材料研究中常用的电磁仿真、数值仿真软件的特征及功能。统计分析了2013～2014年国内超材料领域在太赫兹器件、天线等专业方向上的最新仿真研究成果。关键词：超材料；仿真软件；电磁仿真；数值仿真；太赫兹器件；天线超材料作为一类新型的人工材料，具有自然界中材料所没有的特殊功能，它的功能和性质源自其内部结构，而并非构成它们的材料，可以通过改变超材料的单元结构，获得与自然界物质具有截然不同的超常物理性质的“新物质”。因在通信、雷达、导航以及医学成像等领域具有重要的应用前景，超材料的研究在不断加速。超

2、材料的研究跨越多个学科，囊括电子工程，凝聚态物理，光电子学、经典光学，微波，材料科学，半导体科学以及纳米科技等，这一特性决定了超材料研究中工具的重要性，仿真软件作为一类重要的科研工具，探析其在超材料研究领域应用的广度与深度，具有助推工具与材料研究应用的双重意义。1常用的仿真软件超材料的仿真研究中经常用到的软件有电磁场仿真软件、多物理场建模与仿真类高级数值仿真软件等，具有软件功能强大、商业化程度高的特征。在电磁仿真软件中，CSTMICROWAVESTUDIO(简称CSTMWS，中文名称“CST微波工作室”)具有代表性。CSTMWS集成了时域有限积分、频域有限积分、频域有限元、模式降阶、矩

3、量法、多层快速多极子、本征模等七个时域和频域全波算法。广泛应用于通用高频无源器件仿真，可以进行雷击Lightning、强电磁脉冲EMP、静电放电ESD、EMC／EMI、信号完整性／电源完整性SI／PI、TDR和各类天线／RCS仿真。结合其他工作室，如导入CST印制板工作室和CST电缆工作室空间三维频域幅相电流分布，可以完成系统级电磁兼容仿真；与CST设计工作室实现CST特有的纯瞬态场路同步协同仿真。HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)也是一款重要的电磁仿真软件，据称是业界第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件。HFSS软件拥有较为强大的天线设计功能，

4、可以计算天线参量，比如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。在多物理场建模与高级数值仿真类软件领域，COMSOLMultiphysics具有较高的市场占有率，这是一款大型的系统级数值仿真软件。该软件广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。COMSOLMultiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真，目前已经在声学、生物科学、化学反应、弥散、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球

5、科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。COMSOLMultiphysics含有大量预定义的物理应用模式，范围涵盖从流体流动、热传导、到结构力学、电磁分析等多种物理场，用户可以快速建立模型。COMSOL中定义模型非常灵活，材料属性、源项以及边界条件等可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式或者直接是一个代表实测数据的插值函数等，这些功能对于超材料的设计与研究非常有用。2新近的仿真成果为了对仿真软件在超材料研究中的应用状况有一个初步了解，笔者通过检索中国知网文献数据库做了一个简单的统计分析，至201

6、4年6月，以“超材料”为主题的论文，国内共计发表了约740篇论文，其中主题并94研究简报VbI-33NO．9Sep．2014含“仿真”的论文有178篇，占比约为24％。为了更好比较，笔者同时检索统计了目前研发很热的石墨烯材料，同期共发表了8300篇论文，而并含“仿真”主题的论文仅41篇，占比不足1％。这一结果当然与材料属性密不可分，但数据有力地说明了仿真软件在超材料研究中不可或缺的重要地位。无论何种材料的研究，实现应用都是其目标与意义所在，为此笔者以超材料的应用领域来进行分类统计分析。分析数据基于近一年来国内发表的文献数量与研究方向等，以此观察借助于仿真软件，超材料领域出现了哪些创新性

7、研究。太赫兹器件是近年来的研究热点，因为一个完整的太赫兹系统，除了光源以及探测器之外，作为促进传输过程以及各种衔接所需要的太赫兹器件，如滤波器、吸收器等也是必不可少，这为超材料在此领域的应用提供了用武之地。表1列出了最近1年来国内超材料太赫兹器件的一些主要研究成果。表l超材料太赫兹器件的仿真研究成果研究主题与方向仿真研究要点创新成果亚波长微结构太赫兹功能器件研究‘种能增强磁件感廊的新型双开L日与传统双开u谐振环结构的超材料棚比，环连接f门⋯IJ