《频率选择表面》由会员分享，可在线阅读，更多相关《频率选择表面（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、频率选择表面5.3.1设计背景频率选择表面（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；
2、 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FSSo 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5-3-1 FSS的基本结构介质基板PEC1. 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、3-2所示。入射波t（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。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
4、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
5、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=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R =3.7471mm,内半径outRin=3.1471mm
6、。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。Master1- Master2(b) HFSS仿真模型(a)仿真模型示意图图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
7、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HFSSTSolutionType，在弹出的对话框窗口选择DrivenModal项，如图5-3-6所示。3. 设置单位有主菜单选择ModelerTUnits，在SetModelUnits对话框中选择mm项，如图5-3-7所示。Solution Type: FSS FSS* DrNenJModa Driven Terminal Ei口enmod已Transent厂 Neb/jcirkjin冷图5-3-6求解类型设置对话框图5-3-7单位设置对话框OKC-ancel4. 创建模型1) 绘制介质板(1) 在
8、主菜单选择DrawTBox火灾工具栏中点击按钮曲，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
9、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。S*-chSwch by NameRvlrihH Pwrmrrtivilrjfr by PnMrteitdtj-ane iMtfjeiMtl TBrWijrn NHndeTeflon ftni) tcfltan_bawdSyJLibrjryduilurriSysJJbdfySyrLibrjFyMKUUffih-Kuum *awr_disiledSyJLibrjrynJWf_-5ei5Sy 5Lj 1x517OriqiftMBlerinlj Marifrlals! Matenals- M
10、Bleriulj Mfftedalii Matwals-Mirbedals. Matenals- Mnicrinlj. Mirtedals. Matenals- MHicrinls.里壬/E占t Materials-Cbne MsSy-ibrjpy SyJLib-jrvFidrtke PeimWviv5inpfe22站弘奇陶他曲岬1BuL EnndiclivilpSinpfe0siefTennDdlAcdbk-Lcrsg Togwhl Snpla 0W-agnk Ldse T-anowil Sinph0-duiAbor-iSrapb 01皿Lsrd? Faip：uiSinpb 2bdlahSr
11、ipb 0A_psr_iir Heasmd FncquercjSnple 9.40D9 He3np 0W3!出卫 H广 jpKJCLiSVfflwEilMcdiieifci厂 ThRmdMDdfin-Rtitf I OK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DrawTCircle,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)
12、在属性(Property)窗口中选择Attribute标签页，将Name项修改为Ringo(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Blank Parts-T ool PartsHirg_dIFi ingOut1111 Cion已 tool ob|ects before operatian KCancel图5-3-11绘制第二个圆形后的模型图(6) 选定Substrate，在工具栏上点击巒，介质板暂时不可见。(7) 在菜单栏中点击DrawTCircle,在绘制一个圆形。(8) 在坐
13、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，在菜单栏中点击 ModelerTBooleanTSubstract,在 Substract 窗口作如图5-3-12的设置，点击OK按钮结束设置。电Subtract图5-3-12相减操作对话框在工具栏上点击按钮，勾选Substrat
14、e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 BoundaryTPerfectE，将Ring 设置为理想导体。3) 绘制空气腔(1) 点击工具栏中按钮记，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
15、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：0主从边界只能定义在平面，可以是2D和3D物 体表面；Q 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HFS
