頻率選擇表面-HFSS報(bào)告

頻率選擇表面-HFSS報(bào)告頻率選擇表面5.3.1設(shè)計(jì)背景頻率選擇表面（FrequencySelectiveSurface，F(xiàn)SS）是一種二維周期性結(jié)構(gòu)，可以有效地控制電磁波的反射與傳輸。目前FSS的應(yīng)用十分廣泛，可用于反射面天線(xiàn)的負(fù)反射器以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，提高天線(xiàn)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(shù)，應(yīng)用設(shè)計(jì)的雷達(dá)天線(xiàn)罩能夠有效地降低雷達(dá)系統(tǒng)的雷達(dá)散射界面。5.3.2設(shè)計(jì)原理FSS是一種而為周期排列的陣列結(jié)構(gòu)，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(zhì)襯底層上周期性地印上規(guī)則的導(dǎo)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(kāi)孔的周期孔徑結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)的頻率選擇作用和極化選擇作用，對(duì)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(dǎo)體貼片）、全透射（單元為縫隙、孔徑），它們也被分別稱(chēng)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(xiě)真單元的形式、單元的排布方式以及周?chē)渲傅碾娦阅?。FSS的基本結(jié)構(gòu)如圖5-3-1所示，上下層為介質(zhì)層，中間層為金屬層，金屬層也可以位于介質(zhì)層的上下面上。介質(zhì)基板PEC介質(zhì)基板PECε1μ1ε2μ2圖5-3-1FSS的基本結(jié)構(gòu)FSS的兩類(lèi)基本形式是導(dǎo)線(xiàn)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(bǔ)的在理想導(dǎo)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(kāi)始的。現(xiàn)在講偶極子單元分成四類(lèi)，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(zhì)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(jié)為上述的類(lèi)型，并且往往這些復(fù)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(yīng)，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(shè)計(jì)者按照工程需求選擇所需要的FSS單元形狀。必須強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)論貼片型還是孔徑型FSS，在實(shí)際應(yīng)用中需要有襯底支撐，介質(zhì)襯底的性質(zhì)對(duì)FSS特性有很大的影響，單層及多層介質(zhì)襯底可以改善FSS的特性，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須考慮介質(zhì)效應(yīng)。5.3.3HFSS軟件的仿真實(shí)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(shè)計(jì)一個(gè)帶阻型頻率選擇表面，F(xiàn)SS的單元結(jié)構(gòu)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(gè)模型的最中間，一個(gè)厚度為介質(zhì)板六倍的空氣腔包住基本單元，并設(shè)有兩組主從邊界。選擇介電常量εr=2.2的介質(zhì)作為介質(zhì)基板，厚度h=10.16mm，邊長(zhǎng)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(yùn)行HFSS軟件后，自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)新工程。在工程列表中自動(dòng)加入一個(gè)新項(xiàng)目，默認(rèn)名為HFSSDesign1。同時(shí)，在工程管理區(qū)的右側(cè)出現(xiàn)3D模型窗口。在工程樹(shù)中選擇HFSSDesign1，點(diǎn)擊右鍵，選擇Rename選項(xiàng)，將設(shè)計(jì)命名為FSS。由主菜單選擇File→Saveas，保存在目標(biāo)文件夾內(nèi)，命名為FSS。設(shè)置求解類(lèi)型有主菜單選HFSS→SolutionType，在彈出的對(duì)話(huà)框窗口選擇DrivenModal項(xiàng)，如圖5-3-6所示。設(shè)置單位有主菜單選擇Modeler→Units，在SetModelUnits對(duì)話(huà)框中選擇mm項(xiàng)，如圖5-3-7所示。圖圖5-3-6求解類(lèi)型設(shè)置對(duì)話(huà)框圖5-3-7單位設(shè)置對(duì)話(huà)框創(chuàng)建模型繪制介質(zhì)板在主菜單選擇Draw→Box火災(zāi)工具欄中點(diǎn)擊按鈕，繪制一個(gè)長(zhǎng)方體。在坐標(biāo)輸入欄中輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)：X：-4，Y：-4，Z：-5.08，按回車(chē)鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)、寬、高：dX：8，dY：8，dZ：10.16，按回車(chē)鍵結(jié)束輸入。在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽頁(yè)，將Name項(xiàng)改為Substrate，Transparent項(xiàng)改為0.8。點(diǎn)擊Material選項(xiàng)后面的按鈕，在彈出窗口的Materials標(biāo)簽頁(yè)下，點(diǎn)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(diǎn)擊OK按鈕確定，在點(diǎn)擊確定按鈕，如圖5-3-8所示。圖圖5-3-8材料設(shè)置對(duì)話(huà)窗口設(shè)置完畢后，按下Ctrl+D鍵，將介質(zhì)板適中顯示，如圖5-3-9所示。繪制FSS單元在菜單欄中點(diǎn)擊Draw→Circle，繪制一個(gè)圓形。在坐標(biāo)輸入欄中輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：0，Z：0，按回車(chē)鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)輸入欄輸入長(zhǎng)、寬、高：dX：3.7471，dY：0，dZ：0，按回車(chē)鍵結(jié)束輸入。在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽頁(yè)，將Name項(xiàng)修改為Ring。點(diǎn)擊Color后面的Edit按鈕，將顏色設(shè)置為黑色，點(diǎn)擊OK確定，如圖5-3-10所示。圖5圖5-3-9介質(zhì)板模型

圖5-3-10介質(zhì)板繪制圓形后的模型圖選定Substrate，在工具欄上點(diǎn)擊，介質(zhì)板暫時(shí)不可見(jiàn)。在菜單欄中點(diǎn)擊Draw→Circle，在繪制一個(gè)圓形。在坐標(biāo)輸入欄中輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：0，Z：0，按回車(chē)鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)、寬、高：dX：3.1471，dY：0，dZ：0，按回車(chē)鍵結(jié)束輸入。在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽頁(yè)，將Name項(xiàng)修改為RingOut。如圖5-3-11所示。圖5-3-11繪制第二個(gè)圓形后的模型圖圖5-3-12相減操作對(duì)話(huà)框同時(shí)選擇Ring和RingOut后，在菜單欄中點(diǎn)擊Modeler→Boolean→Substract，在Substract窗口作如圖5-3圖5-3-11繪制第二個(gè)圓形后的模型圖圖5-3-12相減操作對(duì)話(huà)框在工具欄上點(diǎn)擊按鈕，勾選Substrate后的復(fù)選框選項(xiàng)，得到模型如圖5-3-13所示。點(diǎn)擊選擇圓環(huán)Ring，單擊右鍵，在下拉菜單中選擇AssignBoundary→PerfectE，將Ring設(shè)置為理想導(dǎo)體。繪制空氣腔點(diǎn)擊工具欄中按鈕，繪制一個(gè)長(zhǎng)方體。在坐標(biāo)輸入欄中輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)：X：-4，Y：-4，Z：-31，按回車(chē)鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)輸入蘭輸入長(zhǎng)、寬、高：dX：8，dY：8，dZ：62，按回車(chē)鍵結(jié)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(biāo)簽頁(yè)，將Name項(xiàng)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(shè)置主從邊界主從邊界條件可以模擬平面周期結(jié)構(gòu)，這種邊界條件強(qiáng)制使從邊界上每點(diǎn)的電場(chǎng)與主邊界上相應(yīng)點(diǎn)的電場(chǎng)以一相位差相匹配。與對(duì)稱(chēng)邊界不同，電場(chǎng)不必與這些邊界垂直或相切。只需要滿(mǎn)足在兩個(gè)邊界上的場(chǎng)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(shí)，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(gè)邊界上的幾何結(jié)構(gòu)必須與其他邊界上的幾何結(jié)構(gòu)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(gè)主或從邊界表面，必須指定坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)明所選表面所處的平面。當(dāng)HFSS是兩邊界匹配時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)坐標(biāo)系也必須互相匹配。如果不匹配，HFSS就會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)從邊界來(lái)使之與主邊界匹配。這樣操作時(shí)，定義了從邊界的表面也隨之旋轉(zhuǎn)。相對(duì)于定義的坐標(biāo)系，兩個(gè)表面并沒(méi)有同一位置，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)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(biāo)系內(nèi)匹配主邊界，相應(yīng)的從邊界就必須逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°；旋轉(zhuǎn)之后，就得到圖5-3-16。兩個(gè)表面不一致時(shí)網(wǎng)格就不匹配，就導(dǎo)致了錯(cuò)誤信息的出現(xiàn)。而且，定義的U軸和V軸之間的夾角對(duì)于主和從邊界要一致。第一對(duì)主從邊界的設(shè)置在繪圖窗口空白處點(diǎn)擊右鍵，選擇SelectFaces。點(diǎn)選空氣腔上平行于YOZ的任意一個(gè)面，點(diǎn)擊右鍵后出現(xiàn)下拉菜單，選擇AssignBoundary→Master。在彈出的對(duì)話(huà)框中，Name項(xiàng)默認(rèn)為Master1。CoordinateSystem項(xiàng)下，UVector后的下拉菜單選擇NewVector，然后沿介質(zhì)塊在該面上的一條邊畫(huà)一條積分線(xiàn)。不勾選VVector后的復(fù)選框。旋轉(zhuǎn)模型后選擇另一個(gè)平行面，點(diǎn)擊右鍵后出現(xiàn)下拉菜單，選擇AssignBoundary→Slave。彈出對(duì)話(huà)框，Name項(xiàng)默認(rèn)為Slave1，Master項(xiàng)選擇Master1。CoordinateSystem項(xiàng)下，UVector后的下拉菜單選擇NewVector，然后沿介質(zhì)塊在該面上的一條邊畫(huà)一條積分線(xiàn)。軟件自動(dòng)勾選了V后的復(fù)選框。點(diǎn)擊下一步。此處我們?cè)O(shè)計(jì)的是垂直入射情況，ScanAngles都使用默認(rèn)的0°。點(diǎn)擊完成，如圖5-3-17所示。第二對(duì)主從邊界的設(shè)置點(diǎn)選空氣腔上平行于YOZ的任意一個(gè)面，點(diǎn)擊右鍵后出現(xiàn)下拉菜單，選擇AssignBoundary→Master。在彈出的對(duì)話(huà)框中，Name項(xiàng)默認(rèn)為Master2。CoordinateSystem項(xiàng)下，UVector后的下拉菜單選擇NewVector，然后沿介質(zhì)塊在該面上的一條邊畫(huà)一條積分線(xiàn)。不勾選VVector后的復(fù)選框。旋轉(zhuǎn)模型后選擇另一個(gè)平行面，點(diǎn)擊右鍵后出現(xiàn)下拉菜單，選擇AssignBoundary→Slave。彈出對(duì)話(huà)框，Name項(xiàng)默認(rèn)為Slave2，Master項(xiàng)選擇Master2。CoordinateSystem項(xiàng)下，UVector后的下拉菜單選擇NewVector，然后沿介質(zhì)塊在該面上的一條邊畫(huà)一條積分線(xiàn)。軟件自動(dòng)勾選了V后的復(fù)選框。點(diǎn)擊下一步。點(diǎn)擊下一步，點(diǎn)擊完成，如圖5-3-18所示完成第二對(duì)主從邊界的設(shè)置。Slave1Master1Slave1Master1圖5-3-17設(shè)置第一對(duì)主從邊界后的效果圖Master2Slave2圖5-3-18設(shè)置第一對(duì)主從邊界后的效果圖上表面Floquet端口的設(shè)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(biāo)簽頁(yè)下，Name項(xiàng)默認(rèn)為FloquetPort1.LatticeCoordinateSystem項(xiàng)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(xiàn)，做好后旁邊自動(dòng)標(biāo)記字母a。B后的下拉菜單中選擇NewVector，同樣做一條積分線(xiàn)，做好后旁邊自動(dòng)標(biāo)記字母b，如圖5-3-19所示。點(diǎn)擊下一步。圖5-3-19設(shè)置上表面的Floquet端口后的效果圖PhaseDelays標(biāo)簽頁(yè)下，因?yàn)楸纠形覀兎抡娣治龅氖潜容^簡(jiǎn)單的垂直入射情況，圖5-3-19設(shè)置上表面的Floquet端口后的效果圖ModeSetup標(biāo)簽頁(yè)下，Numberof填2，即表示選擇兩個(gè)模式，點(diǎn)擊下一步。[注意]對(duì)于斜入射的情況，當(dāng)λdx2+λ2dy22λdx，2λdy≥時(shí)，只有m=n=0的主模能夠傳播，而對(duì)于其他情況，高次模則能夠傳播。此時(shí)，需要使用ModesCalculator，如圖5-3-20所示，在彈出窗口中的設(shè)置要與FloquetPort窗口中其它標(biāo)簽頁(yè)的設(shè)置一致。勾選AffectsRefinement下的兩個(gè)復(fù)選框，點(diǎn)擊下一步，點(diǎn)擊完成。下表面的Floquet端口的設(shè)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(xiàng)默認(rèn)為FloquetPort圖5圖5-3-20模式計(jì)算器設(shè)置窗口LattcieCoordinateSystem項(xiàng)，A和B后的下拉菜單都選擇Defined，然后點(diǎn)擊下一步，最后點(diǎn)擊完成。如圖5-3-21所示。圖5圖5-3-21設(shè)置下表面的Floquet端口后的效果圖在操作歷史樹(shù)中將原有尺寸設(shè)置成已定義的工程變量值。添加工程變量在菜單欄中點(diǎn)擊Project→projectVariable。在ProjectVariable標(biāo)簽頁(yè)中選擇Value。點(diǎn)擊Add添加工程變量$RingIn，其值設(shè)為3.1471mm。[注意]定義工程變量時(shí)，在變量名稱(chēng)前一定要冠以符號(hào)$，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(duì)話(huà)窗口繼續(xù)添加工程變量：$圖5-3-22添加工程變量對(duì)話(huà)窗口設(shè)置優(yōu)化變量在操作歷史樹(shù)中將原有尺寸設(shè)置為已定義的工程變量值。如圖5-3-22所示，在操作歷史樹(shù)中展開(kāi)Substrate。雙擊CreatBox，在彈出的如圖5-3-24所示的對(duì)話(huà)窗口中將原尺寸改為：Position：?$AirBox，?$AirBox，?5.08mm圖5-3-23操作歷史樹(shù)界面圖圖5-3-23操作歷史樹(shù)界面圖5-3-24介質(zhì)板的模型設(shè)置窗口Size：2*$AirBox圖5-3-25空氣腔的模型設(shè)置窗口（3）展開(kāi)Air，雙擊CreatBox，在彈出的如圖5-3圖5-3-25空氣腔的模型設(shè)置窗口Position：?$AirBox,?$AirBox,?31mmXSize：2*$AirBoxYSize：2*$AirBox（4）展開(kāi)Ring，進(jìn)而展開(kāi)Subtract中的Circle2，如圖5-3-23所示，雙擊CreatCircle，在彈出的對(duì)話(huà)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(shè)置窗口求解設(shè)置為該問(wèn)題設(shè)置求解頻率及掃頻范圍。1）設(shè)置求解頻率（1）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS→AnalysisSetup→AddSolutionSetup。（2）在求解設(shè)置窗口中作如下設(shè)置：SolutionFrequency：10GHzMaximumNumberofPasses：6MaximumDeltaSPerPass：0.02（3）點(diǎn)擊OK確定。2）設(shè)置頻率（1）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS→AnalysisSetup→AddFrequencySweep。（2）SweepName選擇Setup1，點(diǎn)擊OK確定。（3）在掃頻窗口作如下設(shè)置：SweepType：InterpolatingFrequencySetupType：LinearStepStart：5GHzStop：15GHzStepSize：0.1GHzMaxSolutions：100ErrorTolerance：0.2%（4）點(diǎn)擊OK確定9.求解該工程在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS→Analyze。10．尺寸優(yōu)化圖5-3-27優(yōu)化變量設(shè)置窗口（1）在菜單欄中點(diǎn)擊Project→ProjectVariables，在對(duì)話(huà)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(shè)置為[2.5mm，3.74mm]和[圖5-3-27優(yōu)化變量設(shè)置窗口（2）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS→Results→OutputVariables。添加輸出變量PowerConversion。在Name項(xiàng)填入PowerConversion，在Expression項(xiàng)填入（mag（S（FloquetPort2:1，F(xiàn)loquetPort1:1）））^2，點(diǎn)擊Add按鈕添加。點(diǎn)擊Done確認(rèn)退出窗口。（3）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS→OptimetricsAnalysis→AddOptimization。在Goals標(biāo)簽頁(yè)中點(diǎn)擊SetupCalculation，在Category下選擇OutputVariables，點(diǎn)擊AddCalculation按鈕添加。（4）如圖5-3-28所示，在Goals標(biāo)簽頁(yè)下設(shè)置PowerConversion的Goal為[0.01]。（5）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS