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 信息科學與工程學院， 四川 成都 610106)

0 引 言

近年來，科研人員在光學全息技術研究的基礎上嘗試將光學全息技術延伸到微波全息技術中，由此全息天線的概念應運而生[1-5].全息天線由源天線和全息結(jié)構(gòu)共同組成，當源天線所發(fā)出的輻射場到達全息結(jié)構(gòu)時，將會在組成全息結(jié)構(gòu)的金屬上感應起一系列相應的電流，這些電流經(jīng)過輻射，在遠場方向進行疊加，進而還原出目標輻射場.因此，利用全息結(jié)構(gòu)可以改變源天線的輻射特性，從而獲得目標天線的輻射特性.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、高增益且無需復雜饋電結(jié)構(gòu)等優(yōu)點而受到越來越多的關注[6-7].在構(gòu)建全息阻抗調(diào)制表面時，如何獲得較寬阻抗變化范圍的晶格單元成為了當前研究的熱點和難點之一[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仿真軟件進行仿真計算.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應不同的表面阻抗值.

本研究利用電磁仿真軟件HFSS對該結(jié)構(gòu)進行仿真計算，建立的仿真模型如圖3所示.

此模型中，工作頻率設定為10 GHz，晶格單元的大小設定為3 mm×3 mm×1.57 mm，選用的介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)為2.2，厚度為1.57 mm.通過仿真計算，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.當間距g由0.2 mm增加到1 mm時，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行比較，在此模型中，工作頻率仍然設置為10 GHz，晶格單元的大小設定為3 mm×3 mm×1.57 mm，選用的介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)為2.2，厚度為1.57 mm.通過仿真計算，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.當間距g由0.2 mm增加到1 mm時，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，利用電磁仿真軟件HFSS對帶刻蝕環(huán)的環(huán)形金屬貼片進行仿真計算.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.