基于HFSS与NRW算法的材料电磁参数提取系统

资 源 简 介

本项目旨在通过MATLAB与HFSS的联合处理，实现对材料复介电常数（Permittivity）和复磁导率（Permeability）的精确反演提取。首先在HFSS软件中建立标准的同轴线或矩形波导仿真模型，将待测材料样品放置于传输线中进行全波电磁仿真，经过扫频计算后，从软件中导出包含幅值与相位信息的复数格式S11（反射系数）和S21（透射系数）数据文件。MATLAB程序负责自动化读取这些导出的文本或CSV数据，并利用经典的Nicolson-Ross-Weir（NRW）提取算法或其改进模型进行数值处理。系统

详 情 说 明

基于HFSS仿真数据与NRW算法的材料电磁参数自动提取系统

本项目提供了一套完整的自动化仿真数据后处理方案，通过联合MATLAB与电磁仿真软件HFSS，实现了从散射参数（S参数）到材料复介电常数及复磁导率的高精度反演。

1. 项目介绍

在电磁材料研究中，直接测量材料的介电常数和磁导率往往较为困难。本项目通过对放置在标准传输线（如波导或同轴线）中的样品进行全波电磁仿真，获取其S参数，再利用经典的Nicolson-Ross-Weir（NRW）理论模型进行数值反演。该系统能够提取随频率变化的复数电磁参数，为吸波材料、超材料及工程介质的研发提供核心数据支撑。

2. 功能特性

• 自动化反演：一键式处理HFSS导出的复数S参数数据。
• 多模型支持：兼容同轴线（TEM模式）与矩形波导（TE模式）的仿真场景，支持截止频率补偿。
• 全参数计算：同步导出介电常数实部/虚部、磁导率实部/虚部以及损耗角正切。
• 多值性处理：内置反射系数根选择逻辑，确保在单一频率点选择物理意义正确的根。
• 结果可视化：自动生成四象限对比图，直观展示材料电磁特性及原原始S参数曲线。
• 数据汇总：在控制台打印典型频点的数据摘要表格，便于快速记录。

3. 实现逻辑与算法细节

系统程序主要遵循以下逻辑步骤实现：

一、 参数配置与初始化 系统首先定义物理常数（光速、真空电磁常数），并配置样品物理厚度和传输通道的截止频率。对于同轴线，截止频率设为0；对于矩形波导，则需根据截面尺寸设定对应的截止频率。

二、 数据采集与预处理 程序支持从外部CSV或TXT文件读取HFSS导出的幅相格式或复数坐标格式数据。在代码实现中，内置了高精度的数据发生器，可基于理论模型生成带有随机噪声的模拟S参数，用于验证算法的稳健性。

三、 NRW核心算法实现 核心处理逻辑在频率循环中逐点执行，具体数学步骤如下：

1. 计算反射系数（Gamma）：通过S11与S21的代数组合计算中间变量X，并利用模值判据（$||Gamma|| le 1$）在两个数学根中选择符合物理规律的反射系数。
2. 计算透射系数（T）：结合S参数与反射系数，推导样品的内部透射系数。
3. 计算传播项：利用复对数函数处理透射系数，获取样品的传播常数相关项。
4. 解算磁导率（mu_r）：基于波阻抗关系，结合波导波长与自由空间波长的比例关系，解算出相对磁导率。
5. 解算介电常数 (eps_r)：利用已求得的磁导率和传播项，进一步解算出相对介电常数。

四、 损耗计算与可视化 程序计算介电损耗正切与磁损耗正切，并利用子图系统绘制四张专业图表：包括复介电常数频谱曲线、复磁导率频谱曲线、损耗特性曲线以及用于输入验证的S参数dB曲线。

4. 关键算法说明

• 反射系数选择逻辑：NRW算法涉及二次方程求解，程序通过判断根的模值是否小于等于1来自动筛选物理实际的反射系数。
• 多值性应对：在处理透射系数的复对数时，针对较薄样品采用主值分支处理，并为后续针对厚样品的相位展开预留了逻辑接口。
• 波导补偿：算法充分考虑了波导中的色散效应，通过截止波长参数对传播常数和阻抗进行了修正，确保结果在非工作模式下的准确性。

5. 使用方法

1. 仿真准备：在HFSS中建立样品填充的传输线模型，并在Results中导出包含频率、S11、S21（包括幅度与相位或实部虚部）的数据文件。
2. 参数对齐：根据HFSS模型中的实际数值，修改程序中的样品厚度（d）和截止频率（fc）。
3. 运行系统：运行主程序，系统将自动读取数据（或生成模拟数据）并开始计算。
4. 结果获取：查阅生成的图形窗口，并从控制台输出获取关键频点数值。

6. 系统要求

• 软件环境：MATLAB R2021a 或更高版本。
• 必备工具箱：信号处理工具箱（可选，用于数据平滑）。
• 数据格式：支持标准文本格式或CSV格式的电磁仿真导出文件。