表面張量阻抗單元仿真設(shè)計(jì)

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(dǎo)利用會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)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(guān)于中心旋轉(zhuǎn)90度對(duì)稱，可以將其分為標(biāo)量阻抗單元和張量阻抗單元。本文對(duì)多個(gè)尺寸菱形單元張量單元進(jìn)行了HFSS仿真，結(jié)果表明：對(duì)菱形單元，單純改變長(zhǎng)寬比等效阻抗變化較為明顯，且長(zhǎng)邊方向尺寸的改變?cè)斐傻牡刃ё杩怪底兓黠@強(qiáng)于短邊。

關(guān)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(biāo)量阻抗單元，因?yàn)椴徽撈湫螤钊绾胃淖儯缄P(guān)于中心旋轉(zhuǎn)90度對(duì)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(jié)構(gòu)不是關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對(duì)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(gè)方向，根據(jù)張量的性質(zhì)，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(duì)的兩個(gè)面設(shè)置成一對(duì)主從邊界，再把y方向相對(duì)的兩個(gè)面設(shè)置成另一對(duì)主從邊界。假設(shè)a 為單元尺寸，Ψ為相位延遲。根據(jù)文獻(xiàn) [2-3] ，可得波數(shù)與相位延遲之間的關(guān)系式如式（1），進(jìn)而可得等效阻抗Z與波數(shù)k直接的關(guān)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(gè)模型的結(jié)果有相似的走向，結(jié)構(gòu)中橫向長(zhǎng)度的改變對(duì)結(jié)構(gòu)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(gè)模型的結(jié)果也是有相似的走向，結(jié)構(gòu)中橫向長(zhǎng)度的改變對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)論

本文對(duì)多個(gè)尺寸的矩形和菱形單元張量單元進(jìn)行了HFSS本征模仿真，結(jié)果表明：矩形單元，單純改變長(zhǎng)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(zhǎng)寬比單元的等效阻抗變化較為明顯，且長(zhǎng)邊方向尺寸的改變?cè)斐傻牡刃ё杩怪底兓黠@強(qiáng)于短邊。這一效應(yīng)可以用于某些特殊電磁應(yīng)用，例如表面波波導(dǎo)[4]。

致謝

作者感謝教育部產(chǎn)學(xué)合作研究項(xiàng)目“微波天線理論與技術(shù)課程改革”，編號(hào)201802330008及西華師范大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目“《電子線路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》課程優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)教材編纂”的經(jīng)費(fèi)支持。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)，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(jiǎn)介：周永宏，博士，西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師;

馮佳，本科，西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)2015級(jí)本科學(xué)生。