頻率選擇表面-HFSS報告

頻率選擇表面-HFSS報告頻率選擇表面5.3.1設計背景頻率選擇表面（FrequencySelectiveSurface，F(xiàn)SS）是一種二維周期性結構，可以有效地控制電磁波的反射與傳輸。目前FSS的應用十分廣泛，可用于反射面天線的負反射器以實現(xiàn)頻率復用，提高天線的利用率；也可以用于波極化器、分波數(shù)儀和激光器的“腔體鏡”，以提高激光器的泵浦功率；還可以用于隱身技術，應用設計的雷達天線罩能夠有效地降低雷達系統(tǒng)的雷達散射界面。5.3.2設計原理FSS是一種而為周期排列的陣列結構，本身不能吸收能量，但是卻能起到濾波的作用。通常有兩種形式，以后總是貼片型，是在介質襯底層上周期性地印上規(guī)則的導體貼片單元組成金屬陣列；另一種是孔徑型，是在很大的金屬屏上周期性開孔的周期孔徑結構。這兩種結構都可以實現(xiàn)對電磁場的頻率選擇作用和極化選擇作用，對于諧振情況下的入射電磁波，這兩種陣列分別表現(xiàn)出全反射（單元為導體貼片）、全透射（單元為縫隙、孔徑），它們也被分別稱為帶阻型FSS和帶通型FSS。頻率選擇表面的頻率選擇特性主要取決于寫真單元的形式、單元的排布方式以及周圍戒指的電性能。FSS的基本結構如圖5-3-1所示，上下層為介質層，中間層為金屬層，金屬層也可以位于介質層的上下面上。介質基板PEC介質基板PECε1μ1ε2μ2圖5-3-1FSS的基本結構FSS的兩類基本形式是導線陣列和縫隙陣列，如圖5-3-2所示。偶極子陣偶極子陣

入射波ErSEiHiHt縫隙陣（a）（b）圖5-3-2基本的頻率選擇表面0頻率偶極子陣諧振頻率帶通帶阻縫隙陣圖5-3-3兩種形式的傳輸系數(shù)如圖5-3-2（a）所示的諧振偶極子的陣列作為帶阻濾波器，不能通行偶極子諧振頻率的波，但可以通行高于和低于諧振頻率的波。與之互補的在理想導電片上的縫隙陣列，如圖0頻率偶極子陣諧振頻率帶通帶阻縫隙陣圖5-3-3兩種形式的傳輸系數(shù)其他形式的頻率選擇表面單元形狀各種各樣的FSS單元形狀都是從最基本的直偶極子單元開始的?，F(xiàn)在講偶極子單元分成四類，分別為：“中心連接”或“N-極子”單元。如偶極子、三極子和耶路撒冷十字等。環(huán)形單元。如圓環(huán)，矩形環(huán)和六角環(huán)形等。環(huán)單元是制造高質量的斜入射FSS的首選形式。不同形狀的貼片。上述圖形的組合。圖5-3-4給出了四種常用諧振單元，其中圖（a）、（c）屬于孔徑型，圖（b）、（d）屬于圖5圖5-3-4FSS常用諧振單元規(guī)則的FSS單元圖形有利于電磁模型的建立，如圓形、矩形單元等。但是有一些圖形不能歸結為上述的類型，并且往往這些復雜的圖形能夠提供更好的性能，比如隨入射角的變化，可以得到穩(wěn)定的頻率響應，寬帶寬和小的帶間隔等。一些不規(guī)則的圖形單元也可以在多頻段上工作。這就需要設計者按照工程需求選擇所需要的FSS單元形狀。必須強調(diào)的是，無論貼片型還是孔徑型FSS，在實際應用中需要有襯底支撐，介質襯底的性質對FSS特性有很大的影響，單層及多層介質襯底可以改善FSS的特性，因此在實際設計中必須考慮介質效應。5.3.3HFSS軟件的仿真實現(xiàn)FSS單元Master1Master2Slave2Slave1（a）仿真模型示意圖（b）HFSS仿真模型圖5-3-5FSS仿真模型圖本例利用HFSS軟件設計一個帶阻型頻率選擇表面，F(xiàn)SS的單元結構示意圖如圖5-3-1所示，仿真模型圖如圖5-3-5所示，頻率選擇表面的基本單元位于整個模型的最中間，一個厚度為介質板六倍的空氣腔包住基本單元，并設有兩組主從邊界。選擇介電常量εr=2.2的介質作為介質基板，厚度h=10.16mm，邊長a=4mm。頻率選擇表面單元為環(huán)形，外半徑RoutFSS單元Master1Master2Slave2Slave1（a）仿真模型示意圖（b）HFSS仿真模型圖5-3-5FSS仿真模型圖創(chuàng)建工程運行HFSS軟件后，自動創(chuàng)建一個新工程。在工程列表中自動加入一個新項目，默認名為HFSSDesign1。同時，在工程管理區(qū)的右側出現(xiàn)3D模型窗口。在工程樹中選擇HFSSDesign1，點擊右鍵，選擇Rename選項，將設計命名為FSS。由主菜單選擇File→Saveas，保存在目標文件夾內(nèi)，命名為FSS。設置求解類型有主菜單選HFSS→SolutionType，在彈出的對話框窗口選擇DrivenModal項，如圖5-3-6所示。設置單位有主菜單選擇Modeler→Units，在SetModelUnits對話框中選擇mm項，如圖5-3-7所示。圖圖5-3-6求解類型設置對話框圖5-3-7單位設置對話框創(chuàng)建模型繪制介質板在主菜單選擇Draw→Box火災工具欄中點擊按鈕，繪制一個長方體。在坐標輸入欄中輸入起始點的坐標：X：-4，Y：-4，Z：-5.08，按回車鍵結束輸入。在坐標輸入欄中輸入長、寬、高：dX：8，dY：8，dZ：10.16，按回車鍵結束輸入。在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標簽頁，將Name項改為Substrate，Transparent項改為0.8。點擊Material選項后面的按鈕，在彈出窗口的Materials標簽頁下，點擊右下角的AddMaterials按鈕。在彈出的窗口中，將MaterialName改為Material1，將第一行中的Value的值改為2.2，點擊OK按鈕確定，在點擊確定按鈕，如圖5-3-8所示。圖圖5-3-8材料設置對話窗口設置完畢后，按下Ctrl+D鍵，將介質板適中顯示，如圖5-3-9所示。繪制FSS單元在菜單欄中點擊Draw→Circle，繪制一個圓形。在坐標輸入欄中輸入起始點的坐標：X：0，Y：0，Z：0，按回車鍵結束輸入。在坐標輸入欄輸入長、寬、高：dX：3.7471，dY：0，dZ：0，按回車鍵結束輸入。在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標簽頁，將Name項修改為Ring。點擊Color后面的Edit按鈕，將顏色設置為黑色，點擊OK確定，如圖5-3-10所示。圖5圖5-3-9介質板模型

圖5-3-10介質板繪制圓形后的模型圖選定Substrate，在工具欄上點擊，介質板暫時不可見。在菜單欄中點擊Draw→Circle，在繪制一個圓形。在坐標輸入欄中輸入起始點的坐標：X：0，Y：0，Z：0，按回車鍵結束輸入。在坐標輸入欄中輸入長、寬、高：dX：3.1471，dY：0，dZ：0，按回車鍵結束輸入。在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標簽頁，將Name項修改為RingOut。如圖5-3-11所示。圖5-3-11繪制第二個圓形后的模型圖圖5-3-12相減操作對話框同時選擇Ring和RingOut后，在菜單欄中點擊Modeler→Boolean→Substract，在Substract窗口作如圖5-3圖5-3-11繪制第二個圓形后的模型圖圖5-3-12相減操作對話框在工具欄上點擊按鈕，勾選Substrate后的復選框選項，得到模型如圖5-3-13所示。點擊選擇圓環(huán)Ring，單擊右鍵，在下拉菜單中選擇AssignBoundary→PerfectE，將Ring設置為理想導體。繪制空氣腔點擊工具欄中按鈕，繪制一個長方體。在坐標輸入欄中輸入起始點的坐標：X：-4，Y：-4，Z：-31，按回車鍵結束輸入。在坐標輸入蘭輸入長、寬、高：dX：8，dY：8，dZ：62，按回車鍵結束輸入。圖5-3-13繪制FSS單元后的模型圖圖5-3-14繪制空氣腔后的模型圖在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標簽頁，將Name項修改為Air，圖5-3-13繪制FSS單元后的模型圖圖5-3-14繪制空氣腔后的模型圖設置主從邊界主從邊界條件可以模擬平面周期結構，這種邊界條件強制使從邊界上每點的電場與主邊界上相應點的電場以一相位差相匹配。與對稱邊界不同，電場不必與這些邊界垂直或相切。只需要滿足在兩個邊界上的場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。建立匹配的主從邊界時，要遵循以下原則：eq\o\ac(○,1)主從邊界只能定義在平面，可以是2D和3D物體表面；eq\o\ac(○,2)一個邊界上的幾何結構必須與其他邊界上的幾何結構相匹配。例如，如果主邊界是矩形表面，則從邊界也必須是同樣大小的矩形表面。要建立一個主或從邊界表面，必須指定坐標系來說明所選表面所處的平面。當HFSS是兩邊界匹配時，相應的兩個坐標系也必須互相匹配。如果不匹配，HFSS就會對旋轉從邊界來使之與主邊界匹配。這樣操作時，定義了從邊界的表面也隨之旋轉。相對于定義的坐標系，兩個表面并沒有同一位置，就會出現(xiàn)錯誤信息。以圖5-3-15為例。UUV

（a）從邊界UV

（b）主邊界UV

圖5-3-15HFSS軟件中的主從邊界的不匹配圖5-3-16HFSS軟件中主從邊界的匹配要在坐標系內(nèi)匹配主邊界，相應的從邊界就必須逆時針旋轉90°；旋轉之后，就得到圖5-3-16。兩個表面不一致時網(wǎng)格就不匹配，就導致了錯誤信息的出現(xiàn)。而且，定義的U軸和V軸之間的夾角對于主和從邊界要一致。第一對主從邊界的設置在繪圖窗口空白處點擊右鍵，選擇SelectFaces。點選空氣腔上平行于YOZ的任意一個面，點擊右鍵后出現(xiàn)下拉菜單，選擇AssignBoundary→Master。在彈出的對話框中，Name項默認為Master1。CoordinateSystem項下，UVector后的下拉菜單選擇NewVector，然后沿介質塊在該面上的一條邊畫一條積分線。不勾選VVector后的復選框。旋轉模型后選擇另一個平行面，點擊右鍵后出現(xiàn)下拉菜單，選擇AssignBoundary→Slave。彈出對話框，Name項默認為Slave1，Master項選擇Master1。CoordinateSystem項下，UVector后的下拉菜單選擇NewVector，然后沿介質塊在該面上的一條邊畫一條積分線。軟件自動勾選了V后的復選框。點擊下一步。此處我們設計的是垂直入射情況，ScanAngles都使用默認的0°。點擊完成，如圖5-3-17所示。第二對主從邊界的設置點選空氣腔上平行于YOZ的任意一個面，點擊右鍵后出現(xiàn)下拉菜單，選擇AssignBoundary→Master。在彈出的對話框中，Name項默認為Master2。CoordinateSystem項下，UVector后的下拉菜單選擇NewVector，然后沿介質塊在該面上的一條邊畫一條積分線。不勾選VVector后的復選框。旋轉模型后選擇另一個平行面，點擊右鍵后出現(xiàn)下拉菜單，選擇AssignBoundary→Slave。彈出對話框，Name項默認為Slave2，Master項選擇Master2。CoordinateSystem項下，UVector后的下拉菜單選擇NewVector，然后沿介質塊在該面上的一條邊畫一條積分線。軟件自動勾選了V后的復選框。點擊下一步。點擊下一步，點擊完成，如圖5-3-18所示完成第二對主從邊界的設置。Slave1Master1Slave1Master1圖5-3-17設置第一對主從邊界后的效果圖Master2Slave2圖5-3-18設置第一對主從邊界后的效果圖上表面Floquet端口的設置選取空氣腔的上表面，單擊右鍵，在下拉菜單中選擇AssignExcitation→FloquetPort。在彈出的窗口中，General標簽頁下，Name項默認為FloquetPort1.LatticeCoordinateSystem項中，A后的下拉菜單中選擇NewVector，回到繪圖窗口，掩蓋面上一條邊做一條積分線，做好后旁邊自動標記字母a。B后的下拉菜單中選擇NewVector，同樣做一條積分線，做好后旁邊自動標記字母b，如圖5-3-19所示。點擊下一步。圖5-3-19設置上表面的Floquet端口后的效果圖PhaseDelays標簽頁下，因為本例中我們仿真分析的是比較簡單的垂直入射情況，圖5-3-19設置上表面的Floquet端口后的效果圖ModeSetup標簽頁下，Numberof填2，即表示選擇兩個模式，點擊下一步。[注意]對于斜入射的情況，當λdx2+λ2dy22λdx，2λdy≥時，只有m=n=0的主模能夠傳播，而對于其他情況，高次模則能夠傳播。此時，需要使用ModesCalculator，如圖5-3-20所示，在彈出窗口中的設置要與FloquetPort窗口中其它標簽頁的設置一致。勾選AffectsRefinement下的兩個復選框，點擊下一步，點擊完成。下表面的Floquet端口的設置選取空氣腔的下表面，單擊右鍵，在下拉菜單中選擇AssignExcitation→FloquetPort。在彈出的窗口中，Name項默認為FloquetPort圖5圖5-3-20模式計算器設置窗口LattcieCoordinateSystem項，A和B后的下拉菜單都選擇Defined，然后點擊下一步，最后點擊完成。如圖5-3-21所示。圖5圖5-3-21設置下表面的Floquet端口后的效果圖在操作歷史樹中將原有尺寸設置成已定義的工程變量值。添加工程變量在菜單欄中點擊Project→projectVariable。在ProjectVariable標簽頁中選擇Value。點擊Add添加工程變量$RingIn，其值設為3.1471mm。[注意]定義工程變量時，在變量名稱前一定要冠以符號$，變量的值一定要帶上單位，如圖5-3-22所示。圖5-3-22添加工程變量對話窗口繼續(xù)添加工程變量：$圖5-3-22添加工程變量對話窗口設置優(yōu)化變量在操作歷史樹中將原有尺寸設置為已定義的工程變量值。如圖5-3-22所示，在操作歷史樹中展開Substrate。雙擊CreatBox，在彈出的如圖5-3-24所示的對話窗口中將原尺寸改為：Position：?$AirBox，?$AirBox，?5.08mm圖5-3-23操作歷史樹界面圖圖5-3-23操作歷史樹界面圖5-3-24介質板的模型設置窗口Size：2*$AirBox圖5-3-25空氣腔的模型設置窗口（3）展開Air，雙擊CreatBox，在彈出的如圖5-3圖5-3-25空氣腔的模型設置窗口Position：?$AirBox,?$AirBox,?31mmXSize：2*$AirBoxYSize：2*$AirBox（4）展開Ring，進而展開Subtract中的Circle2，如圖5-3-23所示，雙擊CreatCircle，在彈出的對話框中作如下修改（圖5-3-26）：Radius：圖5-3-26FSS圖5-3-26FSS單元的模型設置窗口求解設置為該問題設置求解頻率及掃頻范圍。1）設置求解頻率（1）在菜單欄中點擊HFSS→AnalysisSetup→AddSolutionSetup。（2）在求解設置窗口中作如下設置：SolutionFrequency：10GHzMaximumNumberofPasses：6MaximumDeltaSPerPass：0.02（3）點擊OK確定。2）設置頻率（1）在菜單欄中點擊HFSS→AnalysisSetup→AddFrequencySweep。（2）SweepName選擇Setup1，點擊OK確定。（3）在掃頻窗口作如下設置：SweepType：InterpolatingFrequencySetupType：LinearStepStart：5GHzStop：15GHzStepSize：0.1GHzMaxSolutions：100ErrorTolerance：0.2%（4）點擊OK確定9.求解該工程在菜單欄中點擊HFSS→Analyze。10．尺寸優(yōu)化圖5-3-27優(yōu)化變量設置窗口（1）在菜單欄中點擊Project→ProjectVariables，在對話框中選擇Optimization，選中待優(yōu)化的變量$RingIn和$AirBox，如圖5-3-27所示。將優(yōu)化變量的范圍分別設置為[2.5mm，3.74mm]和[圖5-3-27優(yōu)化變量設置窗口（2）在菜單欄中點擊HFSS→Results→OutputVariables。添加輸出變量PowerConversion。在Name項填入PowerConversion，在Expression項填入（mag（S（FloquetPort2:1，F(xiàn)loquetPort1:1）））^2，點擊Add按鈕添加。點擊Done確認退出窗口。（3）在菜單欄中點擊HFSS→OptimetricsAnalysis→AddOptimization。在Goals標簽頁中點擊SetupCalculation，在Category下選擇OutputVariables，點擊AddCalculation按鈕添加。（4）如圖5-3-28所示，在Goals標簽頁下設置PowerConversion的Goal為[0.01]。（5）在菜單欄中點擊HFSS