关键词：CST微波工作室；超材料单元；5G sub-6 GHz；S参数提取；负折射率；阵列仿真
一、文章简要介绍
做5G sub-6 GHz的射频器件，绕不开一个矛盾：器件要小，性能要强。超材料正好能解这个结。它不是天然材料，而是把金属结构按亚波长尺度排布，做出介电常数或磁导率为负、甚至折射率接近零的电磁响应，这些是常规材料给不了的。这篇发表在Scientific Reports上的工作，做的就是一个面向5G sub-6 GHz的小型化超材料单元，尺寸只有9×9 mm²，基板用Rogers RT-5880（介电常数2.2、厚度1.575 mm、损耗角正切0.0009），铜层厚0.035 mm。设计分两个版本：SNG（单负）单元只在正面布结构，DNG（双负）单元在背面再加一层开槽方形铜（DOI：10.1038/s41598-024-63610-x）。
图1 SNG-MTM单元结构（前视/侧视/加工实物）
图2 DNG-MTM单元结构（3D分解/背面尺寸/侧视/实物）
二、仿真方法与模型
作者把建模和仿真都放在CST Microwave Studio里完成。正面结构由四个圆形开口谐振环（CSRR）组成，其中两个在上臂中间开口，另外两个在左右臂的角部开口；单元中心放一根可调的槽带线，它的长度直接决定谐振频率落在哪里；外圈再配两块尺寸不同的平行矩形铜条。加内环、加矩形贴片、把中心槽带线延伸到内环、背面补上开槽方形铜，五步走下来，谐振频率从最开始的3.5 GHz一路挪到设计目标。
仿真设置上，激励用两个波导端口做线性激励，输入信号取高斯脉冲，沿入射方向设开放边界条件。除了让波沿Z轴传播的主设置，作者还把端口挪到X轴方向重做一遍，看不同端口位置对调谐特性的影响。算完的S参数进CST的后处理模块，用稳健提取法（robust retrieval）从S21和S11里反推出介电常数、磁导率、归一化阻抗和折射率。
图3 五种设计演化S21曲线与仿真-实测对比
图5 CST仿真设置（波导端口与开放边界，Z轴/X轴）
为了验证这套模型是否自洽，作者还用ADS搭了等效电路：金属条和裂环提供电感，环上的间隙和中心槽带线提供电容，谐振频率由 f0=1/(2π√(LC)) 给出。把ADS的S21和CST的仿真结果叠在一起看，两条曲线走势基本重合，ADS的频带略窄、峰值略高。
图4 CST与ADS等效电路S21对比
三、关键结果与发现
从仿真结果看，这个单元的工作频带覆盖3.30到3.52 GHz，带宽220 MHz，谐振点落在3.5 GHz。沿X轴方向，SNG单元的谐振峰达到-17.032 dB（3.28--3.605 GHz），磁导率在3.226--3.654 GHz区间转为负值，折射率在3.442--3.654 GHz为负；DNG单元的谐振峰是-14.456 dB（3.378--3.588 GHz），磁导率3.39--3.64 GHz为负，折射率3.491--3.641 GHz为负，负折射率频段覆盖3.41--3.68 GHz。两类单元的磁导率都接近零，DNG单元的介电常数在3.5 GHz附近也趋近于零，这正是近零折射率材料的样子。
图6 SNG-MTM提取参数（S参数/介电常数/磁导率/归一化阻抗）
场分布能帮你看清能量去了哪：电流集中在裂环和结构左右两侧，以及中心调谐槽带线处；背面开槽方形铜上也聚着电流，磁场就围绕这些电流区域。电场最强的位置在谐振器四周和背面槽形铜周围。也就是说，单元里每一块的电容电感都在谐振上出力。
图7 SNG与DNG折射率提取结果
作者还把单元排成4×4阵列（16个单元）再算一遍。结构本身对称，阵列成员之间的互耦被压低，阵列的S21响应和单个单元基本一致。SNG阵列在2.763、3.597和4.583 GHz出现谐振，介电常数在三个频段为负，磁导率接近零；DNG阵列的两个谐振点是2.991 GHz（-19.80 dB）和3.46 GHz（-17.243 dB），负折射率同样出现在三个频段。文末还与近期发表的同类工作做了参数对比，从尺寸、带宽、金属层、基板到可调性和材料类型逐项列出。
调谐能力也很有意思：改变中心槽带线的长度L4或半径R1，谐振频率就能挪动，变长度时最大带宽做到0.460 GHz。这种小型化、可调、又能同时给出单负与双负响应的单元，很适合往5G sub-6 GHz天线方向走。原文的下一步就是把单元用到大规模MIMO天线阵列里，去改善带宽、隔离度、增益和方向性。
四、我们提供的服务
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