频率选择表面HFSS报告.docx

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频率选择表面HFSS报告

频率选择表面-HFSS报告

频率选择表面

5.3.1设计背景

频率选择表面（FrequencySelectiveSurface,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。

图5-3-1FSS的

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

（a）（b）

图5-3-2基本的频率选

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

图5-3-3两种形式的

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

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5-3-4FSS常用谐振单元

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。

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。

5.3.3HFSS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&=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

FSS

Sl

Slave

Mast

Mast

（a

）仿真模型-5FSS仿真（b）HFSS

Rn=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。

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FiletSaveas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HFSTSolutionType,在弹出的

对话框窗口选择DrivenModal项，如图5-3-6所

示。

3.设置单位

图5-3-6求解类图5-3-7单位设

4.创建模型

1）绘制介质板|e

（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AddMaterials按钮。

在弹出的窗口中，

将MaterialName改为Material，将第一

行中的Value的值改为2.2，点击0K按钮

确定，在点击确定按钮，如图5-3-8所示。

眉hyNatre

Mszeriflis|M^idlKlb-s

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广blfrcdcii：

险冋|Ok|CjFEd

图5-3-8

设置完毕后，按下

材料设置对话窗口

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/^Circe，绘制一个圆形。

（2）在坐标输入栏中输入起始点的坐

标：

X:

0,丫:

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0K确定，如图5-3-10所示。

图5-3-9介质板

图5-3-10介质板绘制圆形后的模型图

（6）选定Substrate，在工具栏上点

击，介质板暂时不可见。

（7）在菜单栏中点击Draw/^Circe，在绘

制一个圆形。

（8）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。

（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。

（11）同时选择Ring和RingOut后，在

图5-3-11绘制第二图5-3-12相减操作

菜单栏中点击

Modeler宀Booean—Substrac,在Substract窗口作如图5-3-12的设置，点击OK按钮结束设置。

在工具栏上点击按钮，勾选Substrate后的复选框选项，得到模型如图5-3-13示。

（12）点击选择圆环Ring,单击右键，在下拉菜单中选择AssignBoundary—PerfectE将Ring设置为理想导体。

3）绘制空气腔b

（1）点击工具栏中按钮，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:

-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

图5-3-13绘制图5-3-14绘制空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。

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：

◎主从边界只能定义在平面，可以是

2D和3D物体表面；G2—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

*

rU

/

图5-3-16

（a）从边界

（b）主边界

会出现错误信息。

以图5-3-15为例

图5-3-15HFSS软件中的

要在坐标系内匹配主边界，相应的从边?

S软件

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SelectFaces。

（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AssignBoundaryfMaster。

（3）在弹出的对话框中，Name项默认为Master1。

（4）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。

不勾选VVector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

BoundaryfSlave

（6）

Name项默认为

弹出对话框,

SlavedMaster项选择Master1。

（7）CoordinateSystem项下，UVecto

NewVector,

（8）此处我们设计的是垂直入射情况，SeanAnges都使用默认的0°。

点击完

成，如图5-3-17所示

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AssignBoundaryfMaster。

（2）在弹出的对话框中，Name项默认为Master2。

（3）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。

不勾选VVector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

BoundaryfSlave

（5）弹出对话框，Name项默认为

SlavedMaster项选择Master2。

（6）CoordinateSystem项下，UVecto后的下拉菜单选择NewVector，然后沿介质

（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

6.设置Floquet端口

1）上表面Floquet

图5-3-18设置第一对主从边界后的效果图

端口的设置

（1）选取空气腔的上表面，单击右键，

在下拉菜单中选择Assign

ExcitationfFOquetPort。

（2）在弹出的窗口中，General标签页下，Name项默认为FloquetPort1.LatticeCoordinateSystem项中，A后的下拉菜单中选择NewVector,回到绘图窗口，掩盖面上

一条边做一条积分线，做好后旁边自动标记字母a°B后的下拉菜单中选择NewVector,

同样做一条积分线，做好后旁边自动标记字

母b,如图5-3-19所示。

点击下一步

（3）

图5-3-19设置

PhaseDelays标签页下，因为本例中我们仿真分析的是比较简单的垂直入射情况，所以ScanAngles选默认值：

Odeg。

点击下一

步。

（4）ModeSetup标签页下，Numberof填2,即表示选择两个模式，点击下一步。

［注意］对于斜入射的情况，当

（?

?

?

?

》2+（?

?

2?

?

「>（1+?

?

?

?

?

?

?

?

（5-3-1）

2（?

?

?

?

）,2（?

②?

旳>（1+?

?

?

?

）?

?

?

?

（5-3-2）

时，只有m=n=0的主模能够传播，而对于其他情况，高次模则能够传播。

此时，需要使用Modes

CaCulator，如图5-3-20所示，在弹出窗口中的设置要与FbquetPort窗口中其它标签页的设置

致。

（5）勾选AffectsRefinement下的两个复选框，点击下一步，点击完成。

2）下表面的FOquet端口的设置

（1）选取空气腔的下表面，单击右键，在下拉菜单中选择AssignExcitationo^UFltPort。

~OoquelPertiModes^elup

cliiEiE8V^iEhjuwr|:

afi£i£U«KwhiutniMg_mAdM.|

Mad.

_bj=a

iTs

^KvHUa^Rj■-|dlbj«r

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1

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0

D

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0

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0

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0

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D

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d

0

g

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0

0

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0

D

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Galfajlirii□二

TableCakuhLor

IJurrbsrolfMadles:

Pa-smREfsFaiMolcSsIezbcr-i

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ScanAngri

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图5-3-21设置下

7.设置优化变量

在操作历史树中将原有尺寸设置成已定义的工程变量值。

1）添加工程变量

（1）在菜单栏中点击Projectfproject

Variable。

（2）在ProjectVariable标签页中选择Value。

（3）点击Add添加工程变量$Ringln，其值

设为3.1471mm。

［注意］定义工程变量时，在变量名称前一定要冠以符号$，变量的值一定要带上单位，如图5-3-22所示。

图5-3-22添加工程变量对话

（4）继续添加工程变量：

$AirBox:

4mm。

2）设置优化变量

在操作历史树中将原有尺寸设置为已定义的工程变量值。

（1）如图5-3-22所示，在操作历史树中展开Substrate。

（2）双击CreatBox，在弹出的如图5-3-24所示的对话窗口中将原尺寸改为：

Position:

-$AirBox，-$AirBox，

-5.08mm

XSize:

2*$AirBox

Size:

2*$AirBox

（3）展开Air,双击CreatBox,在弹出

的如图5-3-25所示的对话窗口中将原尺寸

改为:

Position:

-$AirBox，-$AirBox,-31mm

XSize:

2*$AirBox

YSize:

2*$AirBox

（4）展开Ring，进而展开Subtract中

Vdlb?

Unit

Ev-dutHl^dWi企

CH«aceBcii

C«rdin«tc

Giab4l

iPtotibon

.-lAirB-QJt.-S.'Mrnm

■IiTiE,-4mm,-5.06nwn

XSiw

?

1iAir8&i

YSisr

的niqn

ZSisfr

iCUb

mm

10,16mm

Properties：

FSS-FSS-Modeler

曰£pMlicb

I■Mmciriolli

E夕Siib^imtr

A匚reatrQiaY

F-fPvacuum

E&AirBCitdCtblOA

H口Streit

h;n轴曲.E

ECRirg

；OOrffUrCirrlr^3CsMrftrfJneT；自=孑Subtract巳夕RingOot

[_JCrcaleiCiinE.t

■UlCMerldn^iL

HL*,C^urdir^Lti-Syhlt-ir

曲-0PIuhe

"掙Lhti

图5-3-23

图5-3-24介质板的模型设置

操作历史树

PropertiesFSS-FSS-Modeler

and）

Mie».

Pfi^Wcin

畑

ZSi»

glue

CreateBm

GUmI

SAir&OX.31flmm

2*1pAirBnywHtoy

Unit

flmm

Rflvn

De"!

匚rnptkjfi

mm

图5-3-25空气腔的模型设

的Circle2,如图5-3-23所示，双击

CreatCircle,在弹出的对话框中作如下修改

Cornrnand

（图5-3-26）:

Nanre

Valine

Unit

EvalustedValue

Description

Command

CreateCircle

Coordin-ate

Global

CenterPosit™

mm

0mm（0mmr（Jmm

Axis

Z

Radiui

$Ring]n

3d471mm

Numheroi，-.

0

0

PropertiesFSS-FS5-Modeler

I-ShowHiddcr

图5-3-26FSS单元的模型设置

Radius：

$Ringln

8.求解设置

为该问题设置求解频率及扫频范围

1）设置求解频率

（1）在菜单栏中点击HFS2Analysis

SetupfAdSolutionSetup。

（2）在求解设置窗口中作如下设置：

SolutionFrequency:

10GHz

MaximumNumberofPasses:

6

MaximumDeltaSPerPass0.02

（3）点击OK确定。

2）设置频率

（1）在菜单栏中点击HFS2Analysis

SetupfAcFrequencySweepb

（2）SweepName选择Setupl,点击OK确定。

（3）在扫频窗口作如下设置：

SweepType:

Interpolating

FrequencySetupType:

LinearStep

Start：

5GHz

Stop：

15GHz

StepSize0.1GHz

MaxSolutions:

100

ErrorToleranee:

0.2%

（4）点击OK确定

9.求解该工程

在菜单栏中点击HFS4Analyzeo

10.尺寸优化

（1）在菜单栏中点击ProjectfProject

图5-3-27优化变量设Variables,在对话框中选择Optimization,选中待优化的变量$Ringln和$AirBox,如图5-3-27所示。

将优化变量的范围分别设置为［2.5mm，3.74mm］和［3.75mm，5mm］。

（2）在菜单栏中点击

HFSAResultsfOutVOriables。

添加输出变量PowerConversion。

在Name项填入PowerConversion，在Expression项填入

（mag（S（FloquetPort2:

1,FbquetPort1:

1）））八2，点击Add按钮添加。

点击Done确认退出窗口。

在菜单栏中点击

HFSS^Optimetrics

AnalysisfdAd

Optimization。

在Goals标签页中点击SetupCaCulation,在Category下选择Output

dd

Variables,点击AddCaCulation按钮添加。

（4）如图5-3-28所示，在Goals标签页下设置P