基于環(huán)形金屬貼片的全息阻抗調(diào)制表面的表面阻抗研究

高山山, 茍玲瓏, 喬惠民

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

近年來，科研人員在光學(xué)全息技術(shù)研究的基礎(chǔ)上嘗試將光學(xué)全息技術(shù)延伸到微波全息技術(shù)中，由此全息天線的概念應(yīng)運(yùn)而生[1-5].全息天線由源天線和全息結(jié)構(gòu)共同組成，當(dāng)源天線所發(fā)出的輻射場到達(dá)全息結(jié)構(gòu)時(shí)，將會(huì)在組成全息結(jié)構(gòu)的金屬上感應(yīng)起一系列相應(yīng)的電流，這些電流經(jīng)過輻射，在遠(yuǎn)場方向進(jìn)行疊加，進(jìn)而還原出目標(biāo)輻射場.因此，利用全息結(jié)構(gòu)可以改變?cè)刺炀€的輻射特性，從而獲得目標(biāo)天線的輻射特性.研究發(fā)現(xiàn)，全息阻抗調(diào)制表面天線由于其具有低剖面、高增益且無需復(fù)雜饋電結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注[6-7].在構(gòu)建全息阻抗調(diào)制表面時(shí)，如何獲得較寬阻抗變化范圍的晶格單元成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一[8-11].本研究通過在環(huán)形金屬貼片上刻蝕環(huán)，有效增大了表面阻抗的變化范圍，并利用HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算.仿真結(jié)果表明，基于刻蝕環(huán)結(jié)構(gòu)的環(huán)形金屬貼片具有較寬的阻抗變化范圍.

1 環(huán)形金屬貼片晶格單元

環(huán)形金屬貼片晶格單元的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

從圖1可知，該晶格單元為平面是正方形的立體結(jié)構(gòu)，晶格單元由3層結(jié)構(gòu)組成，最上層為環(huán)形的金屬貼片，中間層為介質(zhì)材料，底層為金屬地板.

圖1環(huán)形金屬貼片晶格單元結(jié)構(gòu)

晶格單元最上層的二維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2環(huán)形金屬貼片二維結(jié)構(gòu)

從圖2可知，晶格單元呈正方形結(jié)構(gòu)，邊長為a，環(huán)形金屬貼片到晶格單元邊沿處的距離為g.環(huán)形金屬貼片的不同尺寸對(duì)應(yīng)不同的表面阻抗值.

本研究利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，建立的仿真模型如圖3所示.

此模型中，工作頻率設(shè)定為10 GHz，晶格單元的大小設(shè)定為3 mm×3 mm×1.57 mm，選用的介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為1.57 mm.通過仿真計(jì)算，得到10 GHz表面阻抗的特性曲線如圖4所示.

圖3環(huán)形金屬貼片晶格單元仿真模型

圖4環(huán)形金屬貼片表面阻抗曲線

從圖4可知，隨著環(huán)形金屬貼片與晶格單元邊沿之間的間距g逐漸增大，晶格單元的表面阻抗值卻逐漸減小.當(dāng)間距g由0.2 mm增加到1 mm時(shí)，晶格單元的表面阻抗值由91.27j Ω下降到84.35j Ω，表面阻抗的變化范圍為6.92j Ω.由此可見，環(huán)形金屬貼片的物理尺寸越大，晶格單元的表面阻抗值就越高；環(huán)形金屬貼片物理尺寸越小，晶格單元的表面阻抗值就越低.

2 帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片晶格單元

為了增大表面阻抗的變化范圍，本研究在環(huán)形金屬貼片上通過刻蝕環(huán)，有效增大了表面阻抗的變化范圍.選用的晶格單元仍然為平面是正方形的立體結(jié)構(gòu)，其晶格單元的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示.

從圖5可知，該晶格單元由3層結(jié)構(gòu)組成，最上層為帶環(huán)形刻蝕環(huán)的金屬貼片，中間層為介質(zhì)材料，底層為金屬地板.晶格單元最上層的二維結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示.

從圖6可知，晶格單元仍然呈正方形結(jié)構(gòu)，其邊長為a，帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片到晶格單元邊沿處的距離為g，環(huán)形金屬貼片上刻蝕有一環(huán).本研究利用HFSS建立該結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖7所示.

圖5帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片晶格單元結(jié)構(gòu)

圖6帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片二維結(jié)構(gòu)

圖7帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片晶格單元仿真模型

為了與環(huán)形金屬貼片晶格單元進(jìn)行比較，在此模型中，工作頻率仍然設(shè)置為10 GHz，晶格單元的大小設(shè)定為3 mm×3 mm×1.57 mm，選用的介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為1.57 mm.通過仿真計(jì)算，得到10 GHz表面阻抗的特性曲線如圖8所示.

圖8帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片表面阻抗曲線

從圖8可知，隨著帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片與晶格單元邊沿之間的間距g逐漸增大，晶格單元的表面阻抗值就逐漸減小.當(dāng)間距g由0.2 mm增加到1 mm時(shí)，晶格單元的表面阻抗值由91.72j Ω下降到83.87j Ω，表面阻抗的變化范圍為7.85j Ω.由此可見，與環(huán)形金屬貼片晶格單元相比，帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片具有更寬的阻抗變化范圍.

3 結(jié) 語

本研究基于環(huán)形金屬貼片結(jié)構(gòu)提出了一種增大表面阻抗變化范圍的方法，即通過在環(huán)形金屬貼片上刻蝕環(huán)來有效增大表面阻抗的變化范圍.同時(shí)，利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片進(jìn)行仿真計(jì)算.仿真結(jié)果表明，基于刻蝕環(huán)結(jié)構(gòu)的環(huán)形金屬貼片具有較寬的表面阻抗變化范圍.