高阻抗表面材料电磁特性

1、高阻抗表面材料的电磁特性合作性学习汇报第二组刘竹友 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 高阻抗表面材料的电磁特性1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1高阻抗表面材料概述1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 2高阻抗表面材料的电磁特性1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3高阻抗表面材料的原理2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Docume

2、nt 3.1阻抗23.1.1本质阻抗23.1.2复本质阻抗5 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 3.2低损耗媒质阻抗：（良导体）5 HYPERLINK l bookmark133 o Current Document 高阻抗表面的反射特性6 HYPERLINK l bookmark139 o Current Document 高阻抗表面材料的其它应用8 HYPERLINK l bookmark143 o Current Document 参考文献81高阻抗表面材料概述人工特性电磁材料：电磁特异材料(Metamaterial)是由对电磁场具有特

3、殊响应的人造谐 振结构组成，只是原来原子和电子被人造的共振结构单元所代替，但在长波极限条件下，基于 有效媒质理论同样可以用两个宏观等效的参量来描述:有效介电常数和有效磁导率。这种材 料可以被设计成具有一些自然界中很难或不可能存在的奇异性质，而这些性质起源于特异材 料的亚波长结构细节，而非材料本身的化学成分。图I高阻抗表ifii结构高阻抗表面材料：一种新型金属电磁特异材料，该材料具有高阻抗表面结构。这种结构 的特点是以金属为衬底的介电材料层上周期性排列金属微结构，微结构和金属衬底之问用1 根小金属棒相连接。游小方块、情的厚虾工工工T二工W t金属衬底金属小棒2高阻抗表面材料的电磁特性当1束电磁波

4、入射到此结构表面时，它的反射波相位(Reflective phase)随着频率的变化 从兀连续变为-兀，表明其中必有1个频率所对应的反射相位为0，即存在同相位反射；而 当体系的反射相位为0时，其等效特征阻抗将趋向一，即存在高阻抗表面;另外，在某些特 定的频段区域存在表面波的全带隙，也就是TE表面波模式和TM表面波模式会同时被抑制。这种结构表面具有很高的阻抗，能在特定频段内能实现电磁波的同相位反射，即反射波 与入射波的相位养为零，这与普通金属板的相位反射有很大的不同。对于金属反射板，电磁 波正入射时，会在其表面发生反射，为了满足导体表面的切向电场分量为零的边界条件，反 射波的相位与入射波相反，形

5、成180的相位差。发耻皮图1天线与接地平面之间相隔14波长3高阻抗表面材料的原理3.1阻抗对于良导体，电磁波基本上不能进人（渗入）到导体的内部，当电磁波正人射时，会在其 表面发生反射，反射波与入射渡的相位在导体表面上正好相差”相位角，也就是说，反射波 与人射渡足反相的。由于导体内部不存住电磁场，导体丧面的电场与磁场的切向分量为零。 而只有反射波与入射波反相，才能满足导体表面的电场和磁场的切向分量为零这一边界条 件。在这种情况下，如果天线位于较靠近导体表面的位置，天线所产牛的电磁波存导体表面 所引起的反射波的相位与天线所直接反射的电磁波的相位几乎是相反的，因而会大大减小天 线的反射效率。为避免这

6、种情况，导体反射面与天线之间的距离需维持为+4的距离（人为 波长），使反射波与天线的发射波同相传播。3.1.1本质阻抗对于电磁吸波材料，其电磁参数U、8 一般都具有复数形式，可表示为：伯=&- j 日=日-川（1）它们的实部和虚部都是频率的函数，而且8、U总是大于零的正数。它们的虚部是与损 耗相对应的，分别对应着介电损耗与磁损耗。在电介质中，单位体积的功率损耗可由下式表示：w = Re E J *= Ree2D 1 . ，.=Re - 网& + j) E 2J=Re -如E 2 - j - g E 2_ 22=如E 22式中E为振幅值。由此可见介质内单位体积的介电功率损耗与8成比，同样，在磁性

7、介质中 可得单位体积的磁损耗为=Re2 沁四 H*2(3)=Re 2 加(日-加)H H* =Re 2 曰H2 -加 2 曰H2式中H为振幅值。由此可以看出介质内单位体积内的磁损耗与也成正比。介质材料的波阻抗： 不失一般性，考虑平面电磁波斜入射到介质上。根据电磁波理论入射电磁波可以分解为垂直 极化波和水平极化波。先讨论垂直极化波入射的情况也即电场E平行于入射面。在直角坐 标系中，其在电磁吸波材料中的波方程性=8 E +8 Eyx t x(4)皂=8 E +8 Exy t y TOC o 1-5 h z E E=H + Hz tz介质中的平面波场分量可以表示为：E =- E0sin 0 ejs

8、(t -ax -Py)E = E cos0 ej (t -ox -px)(5)H = H ej(t-ax-Py)式中E0、H0、。分别为电场幅值、磁场幅值、电场与】轴的夹角,a、B为复常数。jH =(8+j8)E sin9 jsaH =(8 + j8)E cos 9 jaE cos9 + jPE sin 9=(日+j四)H由式(6)的前两式相除可得以sin 9Pcos 9由式(6)的第三式可得H0= /次 sin + Q cos ) 把式(8)代入式(6)的第一式可得.p j(P sin9 +以 cos9)p+jg=(8 +jg )sin 9(8)(9)化简上式可得P sin 9 + 以 co

9、s 9Psin 9(10)把式(7)代入式(10)可得P58 k1-j 8)|1 - j 式*sin 98(11)同理可得1-j以=甲8 (1 - j ) cos9W j 二8(12)根据电磁波理论，介质的波阻抗为电场与磁场之比，因此有Ej邮Z = 0-=H(8+jW8 )sin 98 H!77硕1-j做)、四8 I1-J茹8(1 -j二)sin9 V1 -j岂881L 1- j _ l 日V 888(13)1 - j 二8对于平行极化波，仿以上推证过程，同样可得到介质中波阻抗仍为式(13)材料电磁材料参数：显见通过式(13)直接讨论两种材料波阻抗是相当复杂的。而求一定条件下的电磁参数的匹配

10、条件则不失为一个好的办法。根据式(13)的特点，可以看到当下式成立时(14)由式(13)可得材料的波阻抗即为(15)由上式可见，此时材料的波阻抗即为材料磁导率和介电常数的实部比值的均方根。在阻抗材 料研制时，通常是材料与空气介质的匹配，此时可取曰= 8 , U =U( n为大于零的任意 实数)。如果材料无耗，即是8 = 0,叩=0,且n = 1此时介质即退化为空气介质，即二者是同 一介质，问题显然成立;如果介质是有耗的,则介质的介电常数的虚部和磁导率的虚部的值也 必须分别为8 =n8，U = nU，同时注意到式(14)和式(15)中都不包含频率。和入射角。, 也即它们与频率3无关，也与入射角。

11、无关。阻抗与反射系数令门=Z定义两介质的反射系数为R=-n21+n3.1.2复本质阻抗(用复介电常数3代替无损介质中的8 )3.2低损耗媒质阻抗：(良导体)导体内电磁波传播情况，良导体的条件为18b以Q 以和。可近似为：2 8P 叭诉相应的，低损耗媒质的本质阻抗为:W828 )典型金属的趋肤深度、表面电阻和相速材料名称电导率磁导率趋肤深度表面电阻相速c(S m-1)日(H m-1)o mjR (Q)u (m s-1) p金4.1x1074兀 x 10-70.0786/f3.10 x10-7jf0.493jf银6.17 x1074兀 x 10-70.0642/Jf2.52 x 10-7 Jf0.

12、402Jf紫铜5.80 x1074兀 x 10-70.0660/jf2.61x10-7 Jf0.415、f铝3.72 x1074兀 x 10-70.0826/侦f3.26 x10-7jf0.518 Jf黄铜1.57 x1074兀 x 10-70.127/jf5.01x10”0.79幻f焊锡0.706 x 1074兀 x 10-70.185/Jf7.73x10-7&1.19 jf4.高阻抗表面的反射特性通过对一个单元晶胞的仿真得到无限大高阻抗表面的频率响应。高阻抗表面参数如下：w = 12mm，g = 0.5mm, r = 0.3mm, h = 2mm,& = 10.2 仿真模型：rMas 周期

13、边零;财眺端口*vej醐边界图7高阻抗光而单元站构Floquct端I仿K模型用HFSS仿真得到高阻抗表面单元结构的相位反射，7. 1脚的-wnWMHiiM(n图8高阻抗表面的相位反射曲线可以看出，相位是随频率变化的。根据电磁原理，平面波垂直照射在阻抗为Z的阻抗表面 s上，表面的反射系数为：R = zsZ-Z +门S式中门为空气的波阻抗。对于金属板的表面阻抗为0，反射系数R = -1，反射波与入射波有180的相位差。对于高阻抗表面，由于其表面阻抗随频率变化到无穷大，反射波与入射波的相位差也随频率增加，从180。 -180。变化。当频率在低端和高端时，Z - 0,R = -1，s等效于金属板，反射波与入射波方向相反，反射相位差为180 ；当接近谐振频率时Z -8,R = 1，此时反射波与入射波方向相反，反射相差为0，此时高阻抗表面相当于理想磁导体。在谐振频率士 90的频率范围内即为高阻抗表面的工作带宽。高阻抗表面材料的应用应用优势：基于高阻抗表面的同相位反射特性，在传统波导内壁增加反射板，电磁波的 入射波和反射波能实现同相叠加，使电磁波沿特定方向传播。参考文献1）