CST仿真设计：反射透射性线圆转换与线线转换实战案例及录屏教程

cst仿真设计 反射透射性线圆转换线线转换 案例与录屏打开CST刚打开模板栏是不是总盯着默认的几个空模板发呆今天咱们整点新手入门但能快速装逼朋友圈或者中期报告材料的活——反射透射都能玩的偏振转换超表面Metasurface连扫频率扫入射角度的动图我连怎么调录屏参数都揉进去说。先不说太玄的理论基底直接抓仿真流程最常用的开源极化分解代码片段来玩。先定个今天的模拟目标吧太赫兹0.1THz到0.8THz宽一点的频段垂直入射的x线偏振光透射要转成纯左旋圆偏振LCP最好工作点还能顺便藏一个透射线线90°当备选彩蛋不对备选会不会搞太乱拆成反射纯右圆RCP、透射宽纯LCP然后再加个简单的线线90°的对比超胞这样两个案例够全。一、案例1基础款反射RCP宽透LCP的单层交叉纳米棒先搭个衬底超表面太赫兹衬底一般选高阻硅10kΩ·cm以上εr取11.7tanδ默认CST里HighResistiveSilicon的参数就行不用瞎改——新手第一步踩衬底损耗的坑材料选不对扫频率再好看的结果都是假的。衬底厚度设成500μm吧太赫兹这个厚度刚好不容易太薄有衬底共振干扰反射透射太厚的话网格剖分要骂娘。接下来是单元结构单层金属就选Au吧新手友好不用搞多层的套刻对齐什么的参数虽然对齐在仿真里不用调但录屏做中期讲的时候可以提一下工艺难点加分。单元周期选什么周期得比工作频率的自由空间波长小一点防止栅瓣Grating Lobe——0.8THz的自由空间λ是375μm那周期设成300μm差不多栅瓣会被推到太赫兹水吸收附近或者更外面不用管。金属棒怎么交叉单元里放两根垂直的Au纳米棒长度不一样就行比如长棒对应y偏振的电共振设成280μm短棒x偏振设成220μm宽度统一15μm厚度选200nm——Au太赫兹厚度不用太厚趋肤深度太赫兹下大概几十nm200nm足够当理想反射金属当然你想选100nm也行差别不大。仿真设置重点别漏不然结果废一半边界条件x和y方向肯定是Unit CellFloquet端口的前置条件z方向上下都是Open Add Space太赫兹没有辐射边界那种反射墙干扰就行。Floquet端口记得选上下两个z面Upper Port和Lower Port端口模式选TE10x线偏振入射、TE01y线偏振辅助极化分解、TM模可以先关垂直入射用不到太节省计算时间。频率扫频先定准今天想做的工作点比如扫0.1到0.8THz1001个点新手别太抠点数圆偏振度对频率跳变挺敏感的1001个点画出来的曲线够平滑装出去好看。网格剖分这个是新手最容易炸机或者算不准的地方太赫兹Au纳米棒宽度15μm厚度200nm金属区域的边缘最好加个局部加密——Edge Mesh选Au的金属面剖分步长设成宽度的1/3也就是5μm然后厚度方向因为是200nm比周围的空气和衬底网格细太多别让软件自动补全漏了给Au的实体单独加一个Volume Meshz方向的剖分步长强制设成50nm这样趋肤效应能算准一点。单元整体的背景网格可以先选自动的太懒不想算的话直接选“Very High”频率精度虽然慢一点但单元周期不大300μm×300μm×500μm衬底上下一点点空气台式机一般2-4小时就能跑完。插播个CST录屏/动图小技巧适合放报告开头或结尾演示扫完频率之后是不是想看LCP随频率变化从纯椭圆变纯圆再变回去的过程别着急去Origin画一堆椭圆CST自带的Farfield Polarization Plot就能生成动画先点Results - Farfield - Frequency Domain Farfield - Polarization Plot打开的窗口里Theta和Phi都选0°垂直入射方向的远场Frequency选刚才扫的“Sweep1”关键来了窗口右下角有个小播放键旁边有个齿轮图标可以调帧率比如20fps还有个录制键——录出来是mp4格式可以直接拖进剪映或者PPT。PPT里甚至可以插成嵌入式动画讲的时候贼有画面感二、插个Python极化分解的小代码不用装复杂的电磁仿真软件也能算自己拿到的S参数如果朋友给了你一组CST的S参数或者你自己导出了txt格式想验证圆偏振度、透射线线转换效率不用每次都重开CST直接用Python写10行左右就行首先要从CST导出S参数点Results - Table Export - Farfield/Ports不对Floquet端口的S参数在S-Parameter Plot里右键表格 - Export to ASCII/TXT选导出“dB和Phase”或者“Re和Im”新手建议选Re和Im后面算复数方便不用手动转。cst仿真设计 反射透射性线圆转换线线转换 案例与录屏假设我们导出了一个叫crossednanorodSparams.txt的文件第一列是频率f单位Hz第二列是S21te10te10x偏振透x偏振Sxx第三列是S21te10te01x偏振透y偏振Sxy第四列是S11te10te10x偏振反x偏振Rxx第五列是S11te10te01x偏振反y偏振Rxy——顺序可能不一样导出的时候看清楚表格标题就行。Python代码直接贴import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt data np.loadtxt(crossed_nanorod_Sparams.txt) f data[:, 0] / 1e12 # 转成THz方便画图 Sxx_t data[:, 1] 1j*data[:, 2] # 假设2是Im3是Sxy的Re哦对刚才假设顺序可能错自己看导出的txt第一行 Sxy_t data[:, 3] 1j*data[:, 4] # 举个例子别直接抄 Rxx data[:, 5] 1j*data[:, 6] Rxy data[:, 7] 1j*data[:, 8] # 2. 计算透射的左旋/右旋圆偏振效率TL, TR和圆偏振度PCR # 公式很简单TL |Sxx_t - 1j*Sxy_t|² / 2TR |Sxx_t 1j*Sxy_t|² / 2PCR_T (TL - TR)/(TL TR) TL np.abs(Sxx_t - 1j*Sxy_t)**2 / 2 TR np.abs(Sxx_t 1j*Sxy_t)**2 / 2 PCR_T (TL - TR) / (TL TR) # 取值[-1,1]1纯左旋-1纯右旋 # 3. 顺便算个反射的今天案例1目标是反射纯右圆 RL np.abs(Rxx - 1j*Rxy)**2 / 2 RR np.abs(Rxx 1j*Rxy)**2 / 2 PCR_R (RR - RL) / (RR RL) # 4. 画图 plt.figure(figsize(10,6)) plt.plot(f, TL, labelTransmission LCP) plt.plot(f, TR, labelTransmission RCP) plt.plot(f, PCR_T, labelPCR_T, linestyle--, colorred) plt.ylim(-1.1, 1.1) plt.xlabel(Frequency (THz)) plt.ylabel(Efficiency / PCR) plt.legend() plt.grid() plt.show()这段代码完全是“小白友好型”不用装TensorFlow或者PyTorch装个Anaconda自带的numpy和matplotlib就能跑而且我把注释写得够细公式虽然简单但也标出来了——其实圆偏振的本质就是两个正交线偏振振幅相等、相位差±90°嘛这里的Sxxt和Sxyt就是振幅相关的复数取模就是振幅相位差用共轭相乘的虚部实部算也行但直接用±1j乘Sxy_t更直观像不像数学里的复平面旋转三、案例2凑数款不简单实用的透射线线90°转换刚才玩了交叉纳米棒的宽透圆偏振线线90°其实更简单——只要把交叉纳米棒的长度改成完全一样就行比如两根棒都是250μm周期还是300μm宽度厚度衬底都不变。为什么长度一样就能转线线90°等一下哦不对如果垂直入射x线偏振两根一样的垂直棒x偏振打短棒哦刚才短棒是220长棒280现在都改成250那相当于x和y偏振打到的是相同的谐振结构不对等一下可能我刚才的结构方向搞反了——哦对单元里的棒别放在正中间不不对更简单的单元里的棒旋转45°哦不对刚才交叉纳米棒垂直放也能转线线90°等我验证一下虽然是写博文但不能胡说八道假设x线偏振入射分解成沿长棒和短棒的分量长棒如果是y方向那x分量打到短棒x方向透射率低反射率高y分量打到长棒透射率高反射率低——如果两个分量的透射相位差刚好是180°不对线线90°的透射公式应该是Sxxt0Sxyt|Stotal|反射是Rxyt0Rxxt|Rtotal|这种哦对哦刚才案例1是藏不住线线90°的刚才瞎说了凑数款还是改成V形天线不新手还是继续玩交叉棒把交叉点移到单元的角落不更简单衬底选石英不对石英太赫兹损耗大还是选双层Au交叉棒不用对齐的双层哦CST仿真里不用对齐两层中间加个薄的SiO2隔离层比如2μm上层Au棒x方向280μm下层Au棒y方向250μm这样会不会相位差更准算了不纠结结构细节了线线90°的核心就是让两个正交线偏振的透射振幅相等最好都是0.707左右因为总透射率要1才能理想但有金属有衬底损耗总透射率0.8左右就不错了相位差刚好是90°或者270°其实270°等效于-90°但结合线偏振的入射方向比如x→y应该是Sxyt -j*|Sxxt|不对S参数矩阵的线线转换如果是偏振旋转90°应该满足S21te10te10 0S21te10te01 TS21te01te10 TS21te01te01 0哦对哦那是理想的线偏振旋转器不管入射是x还是y都能转成垂直的这种叫“无损互易”的新手不用搞互易只要入射x线偏振透射y线偏振就行Sxxt尽量小Sxyt尽量大。线线转换的极化分解代码刚才那段改改就行把TL和TR换成Txx |Sxxt|²Txy |Sxyt|²转换效率就是Txy偏振消光比PER就是10*log10(Txy/Txx)PER越大越好比如30dB以上就算优秀了。今天的分享就到这里啦其实CST的超表面偏振转换入门真的不难核心就是抓住正交线偏振的振幅调制和相位调制别一开始就搞太复杂的三维结构或者多层套刻单层交叉纳米棒、V形天线这些经典结构先玩明白中期报告或者小论文的基础数据就有了录屏生成的动图也别浪费剪个15秒的竖版发朋友圈电磁学相关的群说不定还能遇到志同道合的大佬一起交流