周永宏 馮佳
摘要:電磁表面波廣泛存在于各種各樣的電磁系統(tǒng),如不加以引導利用會對其他系統(tǒng)產生干擾。表面阻抗單元可以用于控制電磁表面波。根據(jù)表面阻抗單元是否關于中心旋轉90度對稱,可以將其分為標量阻抗單元和張量阻抗單元。本文對多個尺寸菱形單元張量單元進行了HFSS仿真,結果表明:對菱形單元,單純改變長寬比等效阻抗變化較為明顯,且長邊方向尺寸的改變造成的等效阻抗值變化明顯強于短邊。
關鍵詞:張量表面阻抗單元;矩形單元;菱形單元;等效表面阻抗
引言
1999年,Daniel Sievenpiper 等研究者提出了一種基于高頻印制電路板制作的阻抗表面,命名為Sievenpiper阻抗表面[1]。常見Sievenpiper阻抗表面均為標量阻抗單元,因為不論其形狀如何改變,都關于中心旋轉90度對稱的。這樣的阻抗單元在x方向上的等效阻抗值等于y方向上的等效阻抗值。如果單元結構不是關于中心旋轉對稱的,其等效阻抗值在x和y方向就不相等,就屬于張量表面單元。由于其只有兩個方向,根據(jù)張量的性質,可以將其稱為一階二維張量單元。
1、HFSS仿真方法及數(shù)據(jù)處理方法
我們采用的仿真軟件是HFSS 15.0,求解器是Eignemode solver,先把仿真模型x方向相對的兩個面設置成一對主從邊界,再把y方向相對的兩個面設置成另一對主從邊界。假設a 為單元尺寸,Ψ為相位延遲。根據(jù)文獻 [2-3] ,可得波數(shù)與相位延遲之間的關系式如式(1),進而可得等效阻抗Z與波數(shù)k直接的關系如式(2)。
2、單元HFSS仿真
菱形單元的HFSS仿真模型如圖1所示。
圖2是菱形單元X方向f-Z曲線圖,從圖中我們可以觀察到繪制的6個模型的結果有相似的走向,結構中橫向長度的改變對結構的阻抗特性影響較大。
圖3是菱形單元Y方向f-Z曲線圖,從圖中我們可以觀察到繪制的6個模型的結果也是有相似的走向,結構中橫向長度的改變對結構的阻抗特性影響較大,并且相比X方向,Y方向的變化還要大一些。
3、結論
本文對多個尺寸的矩形和菱形單元張量單元進行了HFSS本征模仿真,結果表明:矩形單元,單純改變長寬比單元的等效表面阻抗變化并不顯著;菱形單元,單純改變長寬比單元的等效阻抗變化較為明顯,且長邊方向尺寸的改變造成的等效阻抗值變化明顯強于短邊。這一效應可以用于某些特殊電磁應用,例如表面波波導[4]。
致謝
作者感謝教育部產學合作研究項目“微波天線理論與技術課程改革”,編號201802330008及西華師范大學校級教改項目“《電子線路計算機輔助設計》課程優(yōu)化及實驗教材編纂”的經費支持。
參考文獻
[1]D.Sievenpiper,“High-impedance electromagnetic surfaces [D]”,Los Angeles:Univ.Of California,1999.
[2]周永宏,基于高阻表面的 TM 表面波控制研究 [D],成都: 四川大學,2017.
[3]R.Quarfoth and D.Sievenpiper,“Anisotropic Surface Impedance Cloak [C]”,IEEE APSURSI,2012:1-2.
[4]R.Quarfoth and D.Sievenpiper,“Artificial tensor impedance surface waveguides [J]”,IEEE Trans.Antennas Propag.,Jul.2013,61(7).
作者簡介:周永宏,博士,西華師范大學電子信息工程學院副教授,碩士生導師;
馮佳,本科,西華師范大學電子信息工程學院電子信息工程專業(yè)2015級本科學生。