基于环形金属贴片的全息阻抗调制表面的表面阻抗研究

高山山, 苟玲珑, 乔惠民

(成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都 610106)

0 引 言

近年来，科研人员在光学全息技术研究的基础上尝试将光学全息技术延伸到微波全息技术中，由此全息天线的概念应运而生[1-5].全息天线由源天线和全息结构共同组成，当源天线所发出的辐射场到达全息结构时，将会在组成全息结构的金属上感应起一系列相应的电流，这些电流经过辐射，在远场方向进行叠加，进而还原出目标辐射场.因此，利用全息结构可以改变源天线的辐射特性，从而获得目标天线的辐射特性.研究发现，全息阻抗调制表面天线由于其具有低剖面、高增益且无需复杂馈电结构等优点而受到越来越多的关注[6-7].在构建全息阻抗调制表面时，如何获得较宽阻抗变化范围的晶格单元成为了当前研究的热点和难点之一[8-11].本研究通过在环形金属贴片上刻蚀环，有效增大了表面阻抗的变化范围，并利用HFSS仿真软件进行仿真计算.仿真结果表明，基于刻蚀环结构的环形金属贴片具有较宽的阻抗变化范围.

1 环形金属贴片晶格单元

环形金属贴片晶格单元的三维结构示意图如图1所示.

从图1可知，该晶格单元为平面是正方形的立体结构，晶格单元由3层结构组成，最上层为环形的金属贴片，中间层为介质材料，底层为金属地板.

图1环形金属贴片晶格单元结构

晶格单元最上层的二维结构示意图如图2所示.

图2环形金属贴片二维结构

从图2可知，晶格单元呈正方形结构，边长为a，环形金属贴片到晶格单元边沿处的距离为g.环形金属贴片的不同尺寸对应不同的表面阻抗值.

本研究利用电磁仿真软件HFSS对该结构进行仿真计算，建立的仿真模型如图3所示.

此模型中，工作频率设定为10 GHz，晶格单元的大小设定为3 mm×3 mm×1.57 mm，选用的介质材料的相对介电常数为2.2，厚度为1.57 mm.通过仿真计算，得到10 GHz表面阻抗的特性曲线如图4所示.

图3环形金属贴片晶格单元仿真模型

图4环形金属贴片表面阻抗曲线

从图4可知，随着环形金属贴片与晶格单元边沿之间的间距g逐渐增大，晶格单元的表面阻抗值却逐渐减小.当间距g由0.2 mm增加到1 mm时，晶格单元的表面阻抗值由91.27j Ω下降到84.35j Ω，表面阻抗的变化范围为6.92j Ω.由此可见，环形金属贴片的物理尺寸越大，晶格单元的表面阻抗值就越高；环形金属贴片物理尺寸越小，晶格单元的表面阻抗值就越低.

2 带刻蚀环的环形金属贴片晶格单元

为了增大表面阻抗的变化范围，本研究在环形金属贴片上通过刻蚀环，有效增大了表面阻抗的变化范围.选用的晶格单元仍然为平面是正方形的立体结构，其晶格单元的三维结构示意图如图5所示.

从图5可知，该晶格单元由3层结构组成，最上层为带环形刻蚀环的金属贴片，中间层为介质材料，底层为金属地板.晶格单元最上层的二维结构示意图如图6所示.

从图6可知，晶格单元仍然呈正方形结构，其边长为a，带刻蚀环的环形金属贴片到晶格单元边沿处的距离为g，环形金属贴片上刻蚀有一环.本研究利用HFSS建立该结构的仿真模型如图7所示.

图5带刻蚀环的环形金属贴片晶格单元结构

图6带刻蚀环的环形金属贴片二维结构

图7带刻蚀环的环形金属贴片晶格单元仿真模型

为了与环形金属贴片晶格单元进行比较，在此模型中，工作频率仍然设置为10 GHz，晶格单元的大小设定为3 mm×3 mm×1.57 mm，选用的介质材料的相对介电常数为2.2，厚度为1.57 mm.通过仿真计算，得到10 GHz表面阻抗的特性曲线如图8所示.

图8带刻蚀环的环形金属贴片表面阻抗曲线

从图8可知，随着带刻蚀环的环形金属贴片与晶格单元边沿之间的间距g逐渐增大，晶格单元的表面阻抗值就逐渐减小.当间距g由0.2 mm增加到1 mm时，晶格单元的表面阻抗值由91.72j Ω下降到83.87j Ω，表面阻抗的变化范围为7.85j Ω.由此可见，与环形金属贴片晶格单元相比，带刻蚀环的环形金属贴片具有更宽的阻抗变化范围.

3 结 语

本研究基于环形金属贴片结构提出了一种增大表面阻抗变化范围的方法，即通过在环形金属贴片上刻蚀环来有效增大表面阻抗的变化范围.同时，利用电磁仿真软件HFSS对带刻蚀环的环形金属贴片进行仿真计算.仿真结果表明，基于刻蚀环结构的环形金属贴片具有较宽的表面阻抗变化范围.