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频选表面hfss报告.docx

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.25M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    5.3.1 设计背景 频率选择表面 频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是一种二维周期性结构，可以有效地 控制电磁波的反射与传输。目前 FSS 的应用十分广泛，可用于反射面天线的负反射器以实现 频率复用，提高天线的利用率；也可以用于波极化器、分波数仪和激光器的“腔体镜”，以 提高激光器的泵浦功率；还可以用于隐身技术，应用设计的雷达天线罩能够有效地降低雷达 系统的雷达散射界面。 5.3.2 设计原理 FSS 是一种而为周期排列的阵列结构，本身不能吸收能量，但是却能起到滤波的作用。 通常有两种形式，以后总是贴片型，是在介质衬底层上周期性地印上规则的导体贴片单元组 成金属阵列；另一种是孔径型，是在很大的金属屏上周期性开孔的周期孔径结构。这两种结 构都可以实现对电磁场的频率选择作用和极化选择作用，对于谐振情况下的入射电磁波，这 两种阵列分别表现出全反射（单元为导体贴片）、全透射（单元为缝隙、孔径），它们也被分 别称为带阻型 FSS 和带通型 FSS。频率选择表面的频率选择特性主要取决于写真单元的形式、 单元的排布方式以及周围戒指的电性能。 FSS 的基本结构如图 5-3-1 所示，上下层为介质层，中间层为金属层，金属层也可以位 于介质层的上下面上。 介质基板 PEC ε1 μ1 ε2μ2 图 5-3-1 FSS 的基本结构 1. 基本的偶极子或缝隙形式的频率选择表面 FSS 的两类基本形式是导线阵列和缝隙阵列，如图 5-3-2 所示。
    偶极 子阵 入射波 H i H t 缝隙阵 E E r （a） （b） 图 5-3-2 基本的频率选择表面 如图 5-3-2（a）所示的谐振偶极子的阵列作为带阻滤波器，不能通行偶极子谐振频率的 波，但可以通行高于和低于谐振频率的波。与之互补的在理想导电片上的缝隙阵列，如图 5-3-2（b）所示，用作带通滤波器，可通行等于缝隙谐振频率的波，但拒绝较高和较低频率 的波。两种情况的传输系数图如图 5-3-3 所示。 带阻 缝隙阵 偶极子阵 谐振频率 带通 0 频率 图 5-3-3 两种形式的传输系数 2. 其他形式的频率选择表面单元形状 各种各样的 FSS 单元形状都是从最基本的直偶极子单元开始的。现在讲偶极子单元分成 四类，分别为： （1） “中心连接”或“N-极子”单元。如偶极子、三极子和耶路撒冷十字等。 （2） 环形单元。如圆环，矩形环和六角环形等。 环单元是制造高质量的斜入射 FSS 的首选形式。 （3） 不同形状的贴片。 （4） 上述图形的组合。 图 5-3-4 给出了四种常用谐振单元，其中图（a）、（c）属于孔径型，图（b）、（d）属于
    贴片型。 图 5-3-4 FSS 常用谐振单元 规则的 FSS 单元图形有利于电磁模型的建立，如圆形、矩形单元等。但是有一些图形不 能归结为上述的类型，并且往往这些复杂的图形能够提供更好的性能，比如随入射角的变化， 可以得到稳定的频率响应，宽带宽和小的带间隔等。一些不规则的图形单元也可以在多频段 上工作。这就需要设计者按照工程需求选择所需要的 FSS 单元形状。 必须强调的是，无论贴片型还是孔径型 FSS，在实际应用中需要有衬底支撑，介质衬底 的性质对 FSS 特性有很大的影响，单层及多层介质衬底可以改善 FSS 的特性，因此在实际设 计中必须考虑介质效应。 5.3.3 HFSS 软件的仿真实现 本例利用 HFSS 软件设计一个带阻型频率选择表面，FSS 的单元结构示意图如图 5-3-1 所 示，仿真模型图如图 5-3-5 所示，频率选择表面的基本单元位于整个模型的最中间，一个厚 度为介质板六倍的空气腔包住基本单元，并设有两组主从边界。选择介电常量εr=2.2 的介质 作为 介质基板， 厚度 h=10.16mm，边长 a=4mm。 频率 选择表面 单元为环 形，外半 径 Rout=3.7471mm，内半径 Rin=3.1471mm。通过调整 FSS 单元贴片的内半径和介质基板的边长， 使 FSS 的谐振频率在 10GHz。本例中先介绍了如何在 HFSS 中实现对 FSS 的建模，然后对贴 片单元尺寸进行优化使其得到要求的谐振频率，最后生成 S 参数和传输系数的仿真结果。 Slave2 FSS 单元 Slave1 Master1 Master2 （a）仿真模型示意图 （b）HFSS 仿真模型 图 5-3-5 FSS 仿真模型图 1. 创建工程 （1）运行 HFSS 软件后，自动创建一个新工程。在工程列表中自动加入一个新项目，默 认名为 HFSSDesign1。同时，在工程管理区的右侧出现 3D 模型窗口。 在工程树中选择 HFSSDesign1，点击右键，选择 Rename 选项，将设计命名为 FSS。 （2）由主菜单选择 File→Saveas，保存在目标文件夹内，命名为FSS。
    2. 设置求解类型 有主菜单选 HFSS→SolutionType，在弹出的对话框窗口选择DrivenModal 项，如图5-3-6 有主菜单选择 Modeler→Units，在SetModelUnits 对话框中选择mm 项，如图5-3-7 所示。 所示。 3. 设置单位 图 5-3-6 求解类型设置对话框 图 5-3-7 单位设置对话框 4. 创建模型 1)绘制介质板 （1）在主菜单选择 Draw→Box 火灾工具栏中点击按钮 ，绘制一个长方体。 （2）在坐标输入栏中输入起始点的坐标： X：-4 ， Y：-4，Z：-5.08，按回车键结束输入。 （3）在坐标输入栏中输入长、宽、高： dX：8， dY：8， dZ：10.16，按回车键结束输入。 （4）在属性（Property）窗口中选择 Attribute 标签页，将 Name 项改为 Substrate， Transparent 项改为 0.8。 （5）点击 Material 选项后面的按钮，在弹出窗口的 Materials 标签页下，点击右下角的 Add Materials 按钮。在弹出的窗口中，将 Material Name 改为 Material1，将第一行中的 Value 的值改为 2.2，点击 OK 按钮确定，在点击确定按钮，如图 5-3-8 所示。
    图 5-3-8 材料设置对话窗口 设置完毕后，按下 Ctrl+D 键，将介质板适中显示，如图 5-3-9 所示。 2)绘制 FSS 单元 （1）在菜单栏中点击 Draw→Circle，绘制一个圆形。 （2）在坐标输入栏中输入起始点的坐标： X：0， Y：0， Z：0，按回车键结束输入。 （3）在坐标输入栏输入长、宽、高： dX：3.7471， dY：0，dZ：0，按回车键结束输入。 （4）在属性（Property）窗口中选择 Attribute 标签页，将 Name 项修改为 Ring。 （5）点击 Color 后面的 Edit 按钮，将颜色设置为黑色，点击 OK 确定，如图 5-3-10 所 示。 图 5-3-9 介质板模型 图 5-3-10 介质板绘制圆形后的模型图
    ，介质板暂时不可见。 （6）选定 Substrate，在工具栏上点击 （8）在坐标输入栏中输入起始点的坐标： （7）在菜单栏中点击 Draw→Circle，在绘制一个圆形。 X：0，Y：0，Z：0，按回车键结束输入。 （11）同时选择 Ring 和 RingOut 后，在菜单栏中点击 Modeler→Boolean→Substract，在 Substract 窗口作如图5-3-12 的设置，点击OK 按钮结束设置。 （9）在坐标输入栏中输入长、宽、高： dX：3.1471， dY：0， dZ：0，按回车键结束输入。 （10）在属性（Property）窗口中选择 Attribute 标签页，将 Name 项修改为 RingOut。 如图 5-3-11 所示。 在工具栏上点击按钮 图 5-3-11 绘制第二个圆形后的模型图 ，勾选Substrate 后的复选框选项，得到模型如图5-3-13 所示。 （12）点击选择圆环 Ring，单击右键，在下拉菜单中选择 Assign Boundary→PerfectE， 将Ring 设置为理想导体。 图 5-3-12 相减操作对话框 ，绘制一个长方体。 3)绘制空气腔 （1）点击工具栏中按钮 （2）在坐标输入栏中输入起始点的坐标： X：-4， Y：-4， Z：-31，按回车键结束输入。 （3）在坐标输入兰输入长、宽、高： dX：8， dY：8， dZ：62，按回车键结束输入。
    （4）在属性（Property）窗口中选择 Attribute 标签页，将 Name 项修改为 Air，Transparent 项修改为 0.8，如图 5-3-14 所示。 图 5-3-13 绘制 FSS 单元后的模型图 图 5-3-14 绘制空气腔后的模型图 5. 设置主从边界 主从边界条件可以模拟平面周期结构，这种边界条件强制使从边界上每点的电场与主边 界上相应点的电场以一相位差相匹配。与对称边界不同，电场不必与这些边界垂直或相切。 只需要满足在两个边界上的场具有相同的振幅和方向（或者相同的幅度和相反的方向）即可。 建立匹配的主从边界时，要遵循以下原则：○1 主从边界只能定义在平面，可以是 2D 和 3D 物体表面；○2 一个边界上的几何结构必须与其他边界上的几何结构相匹配。例如，如果 主边界是矩形表面，则从边界也必须是同样大小的矩形表面。 要建立一个主或从边界表面，必须指定坐标系来说明所选表面所处的平面。当 HFSS 是 两边界匹配时，相应的两个坐标系也必须互相匹配。如果不匹配，HFSS 就会对旋转从边界 来使之与主边界匹配。这样操作时，定义了从边界的表面也随之旋转。相对于定义的坐标系， 两个表面并没有同一位置，就会出现错误信息。以图 5-3-15 为例。 U V V U V U （a）从边界 （b）主边界 图 5-3-15 HFSS 软件中的主从边界的不匹配 图 5-3-16 HFSS 软件 中主从边界的匹配 要在坐标系内匹配主边界，相应的从边界就必须逆时针旋转 90°；旋转之后，就得到 图 5-3-16。 两个表面不一致时网格就不匹配，就导致了错误信息的出现。而且，定义的 U 轴和 V 轴之间的夹角对于主和从边界要一致。
    （4）Coordinate System 项下，U Vector 后的下拉菜单选择 New Vector，然后沿介质块 在该面上的一条边画一条积分线。不勾选 V Vector 后的复选框。 （5）旋 转 模 型 后 选 择 另 一 个 平 行 面 ， 点 击 右 键 后 出 现 下 拉 菜 单 ， 选 择 Assign 1) 第一对主从边界的设置 （1）在绘图窗口空白处点击右键，选择 Select Faces。 （2）点选空气腔上平行于 YOZ 的任意一个面，点击右键后出现下拉菜单，选择 Assign Boundary→Master。 （3）在弹出的对话框中，Name 项默认为Master1。 Boundary→Slave。 （6）弹出对话框，Name 项默认为Slave1，Master 项选择Master1。 （7）CoordinateSystem 项下，UVector 后的下拉菜单选择NewVector，然后沿介质块 在该面上的一条边画一条积分线。软件自动勾选了V 后的复选框。点击下一步。 （8）此处我们设计的是垂直入射情况，ScanAngles 都使用默认的0°。点击完成，如 Boundary→Master。 （2）在弹出的对话框中，Name 项默认为Master2。 Boundary→Slave。 （5）弹出对话框，Name 项默认为Slave2，Master 项选择Master2。 （6）CoordinateSystem 项下，UVector 后的下拉菜单选择NewVector，然后沿介质块 在该面上的一条边画一条积分线。软件自动勾选了V 后的复选框。点击下一步。 （7）点击下一步，点击完成，如图5-3-18 所示完成第二对主从边界的设置。 2) 第二对主从边界的设置 （1）点选空气腔上平行于 YOZ 的任意一个面，点击右键后出现下拉菜单，选择 Assign （3）Coordinate System 项下，U Vector 后的下拉菜单选择 New Vector，然后沿介质块 图 5-3-17 所示。 在该面上的一条边画一条积分线。不勾选 V Vector 后的复选框。 （4）旋 转 模 型 后 选 择 另 一 个 平 行 面 ， 点 击 右 键 后 出 现 下 拉 菜 单 ， 选 择 Assign Slave1 Master2 Master1 Slave2 图 5-3-17 设置第一对主从 边界后的效果图 6. 设置 Floquet 端口 1) 上表面 Floquet 端口的设置 图 5-3-18 设置第一对主从 边界后的效果图
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