FSS仿真方法_西电培训
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
矩形阵
¾ 三角形阵
Master / Slave
Master / Slave
¾ 任意三角形阵
¾ 六角形阵
Master / Slave
HFSS的算法与网格剖分技术是其灵活的组阵能力的保证！
FSS设计
单元选型与设计 组阵设计 共形FSS
FSS的常见共形载体
FSS求解配合Screening Impedance 边界条 件处理整机RCS仿真时的进气道
¾ 可对任意输出场量进行复数、代数、微积 分和编程运算
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（二）
¾ 多种入射波源类型可充分满足设计和测试需要
¾ 多种极化平面波 (线极化、园极化、椭圆 极化)
¾ 渐弱平面波
¾ 高斯波束
¾ 柱面波
¾ 赫兹极子源 ¾ 线天线源
玻璃
入射的高斯波束
空气
入射波与反射/折射波叠加后 的总场
Floquet Port vs Wave Port
Floquet port类似于Wave port ，区别在于Floquet port
¾ 邻近的边界必须是链接边界条件 （LBCs，如周期性主从边界）
¾ 端口材料必须是各向同性且匀质的 ¾ 模式由解析方法生成，而非本征解
Floquet设置步骤1－ຫໍສະໝຸດ Baidu栅格向量
x
Anisotropic Impedance BC
ver11
⎡Ex ⎢⎣ E y
⎤ ⎥ ⎦
=
⎡Z x
⎢ ⎣
0
0 Zy
⎤ ⎥ ⎦
⎡ ⎢ ⎣
H H
y x
⎤ ⎥ ⎦
Horizontal polarization
ver11
Vertical polarization
ver11
PCB in SIwave
Yellow traces are clock traces; these have been excited
Screening impedance
Screened air intake
Screening impedance BC
¾ Homogenization is a general method to replace periodic structures ¾ Introducing anisotropic impedance BC makes the method even more accurate
各种不同的FSS单元 [1]
FSS 概 述
¾ 频率选择性表面（FSS）功能上就是对空间中传播的平面波的“滤波 器”，物理上多通过周期结构来实现，属于典型的电磁散射问题；
¾ 它在特定的频带内或提供通带，或提供阻带
¾ 降低带外噪声；控制低Q值宽带天线的带宽，起到频率选择反射器的作用 （或二向色性表面）
¾ 在军用领域，FSS为天线提供隐蔽的带外收发频率 ¾ EMI 防护 ¾ 左下方图中是FSS的新的应用领域
射到FSS结构上都会对FSS的通带/阻带特性产生重要影响
FSS的典型应用领域
天线罩
新型天线
隐身
PCB PI设计
FSS结构设计难点和重点
¾ 对于单元的选取和设计，由于其多样化导致等效电路模型复杂且缺 乏一致性，不便采用解析法计算；
¾ 设计指标不但对垂直入射的反射/透射相位/模有要求，还要兼顾斜 入射角的工作频带稳定性，而后者的设计往往难度最大；
值，可见SRR异向介质谐振响应是由Floquet凋落模所引起。 25
仿真结果－矩阵数据
TM00 TM0-1
prop or cut-off
[S]
一个FSS单元的典型仿真设置
sub1 metal1 sub2 sub3
sub4
sub5 sub6 metal2 sub7
Layers sub1 metal1 sub2 sub3 sub4 sub5 sub6 metal2 sub7
Floquet设置步骤5－后处理（可选）
¾ FSS 散射体或者天线 口径Floquet参考相位
端口处的凋落模问题
当满足
(λ / dx )2 + (λ / 2d y )2 ≥ (1+ sinθ )2
2(λ / dx ), (λ / d y ) ≥ (1+ sinθ )
p=q=0 时，只有 模能
的主
Port2
Deembedding
Port1
Port2
Equivalent, homogeneous Impedance extraction
Port1
Zh
Port2
Frequency dependent
New Anisotropic Impedance BC
y
Anisotropic shields
频率选择性表面仿真方法
西安电子科技大学天线系统设计高级培训 2008/06/19
刘莹 高级应用工程师 aliu@ansoft.com.cn
Ansoft 公司
内容大纲
¾ FSS概述 ¾ HFSS与FSS结构设计相关的功能特点 ¾ 单元选型与设计 ¾ 阵列设计 ¾ 共形FSS ¾ 左手媒质在微波工程中的应用
画向量格
Floquet设置步骤2－指定单元相位延迟
¾设定扫描角或者相移
¾扫描角度设定与LBCs同步
Floquet设置步骤3－求解模式设定
Floquet port 的模式
打开模式计算器 来设置
模式计算
¾模式的自动计算 ¾用户可以采用不 同的频率和扫描方案
Floquet设置步骤4－指定影响网格加密的模 式
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（五）
¾ 全面的工程设计材料库功能：包含所有常用材料，并可自定义并扩充
材料库。
FSS设计
单元选型与设计 组阵设计 共形FSS
FSS单元在HFSS中的仿真方法
¾ 以下是PBG/EBG等典型FSS结构在HFSS中的常用仿真手段，AMC属 于后者
波导法: 仅需使用HFSS，可输出传递特性随频率 变化的关系，适用于某些对称且在波传播方向上 仅有限几个周期的结构。这种较简单的三维PBG 结构和仿真方法也可使用其它的FEA/FDTD软件 设计。
单元设计指标
一个典型的基于电磁场仿真软件的 FSS工程设计流程
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（一）
¾ 高性能的全波有限元求解器
¾ 任意入射波类型、任意入射角度
¾ 强大的网格剖分和收敛精度控制能力
¾ ALPS 快速扫频算法
v11
¾ Floquet 端口技术
¾ Screening impedance边界条件
Computer housing in HFSS
自定义收敛判据和收敛精度
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（四）
¾ 自动反射/透射系数计算 ¾ 可进行外推到DC的宽带插值扫频
HFSS仿真结果
实测结果
参考书目：“Frequency Selective Surfaces: Theory and Design”,
Ben A. Munk, Fig 2.15, pg 38
Homogenization
Homogenization = Find the equivalent impedance BC (frequency dependent)
Shielding Grid
Impedance BC
Unit Cell Solution
PEC Port1
PMC
Unit cell
=
Rmpq (1 − Tp2q ) 1 − Rm2pqTp2q
S mpq 21
=
Tpq
(1
−
R2 mpq
)
1− Rm2pqTp2q
Rmpq
Tpq = exp(−iγ pqd )
γ pq
为反射系数，
为传输因子。可以看出,
将随着传输因子的减小而减小.当 变为纯虚数,意味着电磁
波将随离激励源的距离增加而指数衰减,从而导致S21出现极小
ε r1 εr2 εr3
Diel. loss tangent
0.016
0.023
0.0017
设置Floquet端口
在HFSSv11中，可采用Floquet端口 定义的方式代替入射波激励；
在Floquet port中定义入射波角度；
求解设置
在求解设置中的求解频率定义为 扫频频带的中心频率，如6－14GHz 的扫频，求解频率放在10GHz。
仿真结果（v11） 斜入射 theta=60 deg（v11）
FSS设计
单元选型与设计 组阵设计 共形FSS
向量格和结构单元（一）
Master / Slave
¾ Use different combinations of Master and Slave boundary conditions to create different array topologies
¾ 由于金属和介质的材料选取和加工工艺对FSS性能有重要影响，在 以实测加工件为主要手段的设计中，需要大量的实验数据和设计经 验；
¾ 除此之外，FSS结构的鲁棒性，即加工误差、材料特性的非一致性、 外界环境（如温度）变化对结构的性能影响都会增加设计的困难和 复杂度；
设计思路
任意3D曲面共形设计指标 组阵设计
够传播， 而对于其它情 况，
高次模则能够传播。
模式数的选择
24
参考相位平面的选取
对于凋落模（γ pq 为负的纯虚数），Floquet模在方向没有相位
变化，但存在幅度的衰减，从而导致传输阻带。因为SRR异向 介质的谐振响应通常表现为S21参数的极小值,故考虑SRR异向 介质层的S参数
S mpq 11
名词缩写表
¾ AMC ¾ EBG ¾ FDTD ¾ FEM ¾ FSS ¾ PBG ¾ PML
Artificial magnetic conductor（人工磁导体） Electromagnetic bandgap（电磁带隙） Finite-difference time-domain（时域有限差分法） Finite Element Method（有限元法） Frequency selective surface （频率选择性表面） Photonic bandgap（光子带隙） Perfect match layer（理想匹配层）
¾ 专门针对FSS结构的连锁边界条件设置
¾ 无限大周期性重复结构只需单元建模
¾ 主从边界的数目与方向不受限
¾ 专为FSS求解设计的辐射边界
¾ 本征模式求解器
¾ 在无外在激励情况下直接对模型的本征模 式进行抽取
¾ 自动生成 PML 边界
¾ 适用于偏转波束（steered-beam）阵的 辐射边界
¾ 功能强大的场计算器
¾ 结构:
¾ 通常由周期性重复的金属薄片图形或金属层上掏空的缝隙组成 ¾ 通常伴随有介质衬底用作匹配 ¾ 有时也采用三维介质结构
¾ 一个FSS结构的重要参数:
¾ 带宽 – 在所需要的频带内呈现的阻带或通带特性 ¾ 其测量值可通过测量FSS结构随入射波角度和频率变化的的传输和反射 特性得到
¾ 插入损耗 – FSS结构在相应频带内的损耗 ¾ 极化 （需要时才考虑） ¾ 折射/衍射–在雷达的天线罩设计中，波束的斜入射、散射、或以球面波形式入
单位元法 ：需使用 HFSS及其优化模块OptimetricsTM。 可应用于复杂的表面PBG/EBG无限大周期结构。
Floquet port介绍
如前所述，FSS属于典型的散射体结构，物理上多采用周期结构 实现。在采用数值分析方法研究其散射特性时，可以结合周期边界条 件对其单元进行离散化剖分，并利用前文介绍的有限元法、矩量法或 者时域有限差分等数值计算方法直接计算其散射特性。但是，这些方 法由于计算机内存的限制对于分析问题的规模造成局限，因此， Floquet模式方法结合数值计算在分析频率选择表面等周期结构2.5维 问题时显示出越来越重要的作用。
HFSS 模型
Material0.3 copper
Material0.1 Material0.3 Material6 Material0.3 Material0.1 copper Material0.3
Material0.1 Material0.3 Material6
Relative Permittivity
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（三）
¾ 强大的自适应网格剖分能力：自动调整网格剖分使其满足对模型电性
能求解的需要，大大减少了设计者的工作量，降低了对设计经验的要求。
初始网格
自适应加密后的网格
¾ 专为工程设计量身定制的收敛精度控制：可实时显示并更新自适应求解的结果
¾ 矩阵求解结果 ¾ 场解
扫频设置
在采用Reference for FSS的 PML边界时，可支持的扫频方式 有 离散扫频（Discrete）和插值 扫频（Interpolating），后者的速 度更快。
定义入射波的极化
e e − jkx x − jky y
其中，波数 k x 定义为
kx
=
2π a
m+ψx a
而 k y采用相同方式定义
¾ 三角形阵
Master / Slave
Master / Slave
¾ 任意三角形阵
¾ 六角形阵
Master / Slave
HFSS的算法与网格剖分技术是其灵活的组阵能力的保证！
FSS设计
单元选型与设计 组阵设计 共形FSS
FSS的常见共形载体
FSS求解配合Screening Impedance 边界条 件处理整机RCS仿真时的进气道
¾ 可对任意输出场量进行复数、代数、微积 分和编程运算
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（二）
¾ 多种入射波源类型可充分满足设计和测试需要
¾ 多种极化平面波 (线极化、园极化、椭圆 极化)
¾ 渐弱平面波
¾ 高斯波束
¾ 柱面波
¾ 赫兹极子源 ¾ 线天线源
玻璃
入射的高斯波束
空气
入射波与反射/折射波叠加后 的总场
Floquet Port vs Wave Port
Floquet port类似于Wave port ，区别在于Floquet port
¾ 邻近的边界必须是链接边界条件 （LBCs，如周期性主从边界）
¾ 端口材料必须是各向同性且匀质的 ¾ 模式由解析方法生成，而非本征解
Floquet设置步骤1－ຫໍສະໝຸດ Baidu栅格向量
x
Anisotropic Impedance BC
ver11
⎡Ex ⎢⎣ E y
⎤ ⎥ ⎦
=
⎡Z x
⎢ ⎣
0
0 Zy
⎤ ⎥ ⎦
⎡ ⎢ ⎣
H H
y x
⎤ ⎥ ⎦
Horizontal polarization
ver11
Vertical polarization
ver11
PCB in SIwave
Yellow traces are clock traces; these have been excited
Screening impedance
Screened air intake
Screening impedance BC
¾ Homogenization is a general method to replace periodic structures ¾ Introducing anisotropic impedance BC makes the method even more accurate
各种不同的FSS单元 [1]
FSS 概 述
¾ 频率选择性表面（FSS）功能上就是对空间中传播的平面波的“滤波 器”，物理上多通过周期结构来实现，属于典型的电磁散射问题；
¾ 它在特定的频带内或提供通带，或提供阻带
¾ 降低带外噪声；控制低Q值宽带天线的带宽，起到频率选择反射器的作用 （或二向色性表面）
¾ 在军用领域，FSS为天线提供隐蔽的带外收发频率 ¾ EMI 防护 ¾ 左下方图中是FSS的新的应用领域
射到FSS结构上都会对FSS的通带/阻带特性产生重要影响
FSS的典型应用领域
天线罩
新型天线
隐身
PCB PI设计
FSS结构设计难点和重点
¾ 对于单元的选取和设计，由于其多样化导致等效电路模型复杂且缺 乏一致性，不便采用解析法计算；
¾ 设计指标不但对垂直入射的反射/透射相位/模有要求，还要兼顾斜 入射角的工作频带稳定性，而后者的设计往往难度最大；
值，可见SRR异向介质谐振响应是由Floquet凋落模所引起。 25
仿真结果－矩阵数据
TM00 TM0-1
prop or cut-off
[S]
一个FSS单元的典型仿真设置
sub1 metal1 sub2 sub3
sub4
sub5 sub6 metal2 sub7
Layers sub1 metal1 sub2 sub3 sub4 sub5 sub6 metal2 sub7
Floquet设置步骤5－后处理（可选）
¾ FSS 散射体或者天线 口径Floquet参考相位
端口处的凋落模问题
当满足
(λ / dx )2 + (λ / 2d y )2 ≥ (1+ sinθ )2
2(λ / dx ), (λ / d y ) ≥ (1+ sinθ )
p=q=0 时，只有 模能
的主
Port2
Deembedding
Port1
Port2
Equivalent, homogeneous Impedance extraction
Port1
Zh
Port2
Frequency dependent
New Anisotropic Impedance BC
y
Anisotropic shields
频率选择性表面仿真方法
西安电子科技大学天线系统设计高级培训 2008/06/19
刘莹 高级应用工程师 aliu@ansoft.com.cn
Ansoft 公司
内容大纲
¾ FSS概述 ¾ HFSS与FSS结构设计相关的功能特点 ¾ 单元选型与设计 ¾ 阵列设计 ¾ 共形FSS ¾ 左手媒质在微波工程中的应用
画向量格
Floquet设置步骤2－指定单元相位延迟
¾设定扫描角或者相移
¾扫描角度设定与LBCs同步
Floquet设置步骤3－求解模式设定
Floquet port 的模式
打开模式计算器 来设置
模式计算
¾模式的自动计算 ¾用户可以采用不 同的频率和扫描方案
Floquet设置步骤4－指定影响网格加密的模 式
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（五）
¾ 全面的工程设计材料库功能：包含所有常用材料，并可自定义并扩充
材料库。
FSS设计
单元选型与设计 组阵设计 共形FSS
FSS单元在HFSS中的仿真方法
¾ 以下是PBG/EBG等典型FSS结构在HFSS中的常用仿真手段，AMC属 于后者
波导法: 仅需使用HFSS，可输出传递特性随频率 变化的关系，适用于某些对称且在波传播方向上 仅有限几个周期的结构。这种较简单的三维PBG 结构和仿真方法也可使用其它的FEA/FDTD软件 设计。
单元设计指标
一个典型的基于电磁场仿真软件的 FSS工程设计流程
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（一）
¾ 高性能的全波有限元求解器
¾ 任意入射波类型、任意入射角度
¾ 强大的网格剖分和收敛精度控制能力
¾ ALPS 快速扫频算法
v11
¾ Floquet 端口技术
¾ Screening impedance边界条件
Computer housing in HFSS
自定义收敛判据和收敛精度
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（四）
¾ 自动反射/透射系数计算 ¾ 可进行外推到DC的宽带插值扫频
HFSS仿真结果
实测结果
参考书目：“Frequency Selective Surfaces: Theory and Design”,
Ben A. Munk, Fig 2.15, pg 38
Homogenization
Homogenization = Find the equivalent impedance BC (frequency dependent)
Shielding Grid
Impedance BC
Unit Cell Solution
PEC Port1
PMC
Unit cell
=
Rmpq (1 − Tp2q ) 1 − Rm2pqTp2q
S mpq 21
=
Tpq
(1
−
R2 mpq
)
1− Rm2pqTp2q
Rmpq
Tpq = exp(−iγ pqd )
γ pq
为反射系数，
为传输因子。可以看出,
将随着传输因子的减小而减小.当 变为纯虚数,意味着电磁
波将随离激励源的距离增加而指数衰减,从而导致S21出现极小
ε r1 εr2 εr3
Diel. loss tangent
0.016
0.023
0.0017
设置Floquet端口
在HFSSv11中，可采用Floquet端口 定义的方式代替入射波激励；
在Floquet port中定义入射波角度；
求解设置
在求解设置中的求解频率定义为 扫频频带的中心频率，如6－14GHz 的扫频，求解频率放在10GHz。
仿真结果（v11） 斜入射 theta=60 deg（v11）
FSS设计
单元选型与设计 组阵设计 共形FSS
向量格和结构单元（一）
Master / Slave
¾ Use different combinations of Master and Slave boundary conditions to create different array topologies
¾ 由于金属和介质的材料选取和加工工艺对FSS性能有重要影响，在 以实测加工件为主要手段的设计中，需要大量的实验数据和设计经 验；
¾ 除此之外，FSS结构的鲁棒性，即加工误差、材料特性的非一致性、 外界环境（如温度）变化对结构的性能影响都会增加设计的困难和 复杂度；
设计思路
任意3D曲面共形设计指标 组阵设计
够传播， 而对于其它情 况，
高次模则能够传播。
模式数的选择
24
参考相位平面的选取
对于凋落模（γ pq 为负的纯虚数），Floquet模在方向没有相位
变化，但存在幅度的衰减，从而导致传输阻带。因为SRR异向 介质的谐振响应通常表现为S21参数的极小值,故考虑SRR异向 介质层的S参数
S mpq 11
名词缩写表
¾ AMC ¾ EBG ¾ FDTD ¾ FEM ¾ FSS ¾ PBG ¾ PML
Artificial magnetic conductor（人工磁导体） Electromagnetic bandgap（电磁带隙） Finite-difference time-domain（时域有限差分法） Finite Element Method（有限元法） Frequency selective surface （频率选择性表面） Photonic bandgap（光子带隙） Perfect match layer（理想匹配层）
¾ 专门针对FSS结构的连锁边界条件设置
¾ 无限大周期性重复结构只需单元建模
¾ 主从边界的数目与方向不受限
¾ 专为FSS求解设计的辐射边界
¾ 本征模式求解器
¾ 在无外在激励情况下直接对模型的本征模 式进行抽取
¾ 自动生成 PML 边界
¾ 适用于偏转波束（steered-beam）阵的 辐射边界
¾ 功能强大的场计算器
¾ 结构:
¾ 通常由周期性重复的金属薄片图形或金属层上掏空的缝隙组成 ¾ 通常伴随有介质衬底用作匹配 ¾ 有时也采用三维介质结构
¾ 一个FSS结构的重要参数:
¾ 带宽 – 在所需要的频带内呈现的阻带或通带特性 ¾ 其测量值可通过测量FSS结构随入射波角度和频率变化的的传输和反射 特性得到
¾ 插入损耗 – FSS结构在相应频带内的损耗 ¾ 极化 （需要时才考虑） ¾ 折射/衍射–在雷达的天线罩设计中，波束的斜入射、散射、或以球面波形式入
单位元法 ：需使用 HFSS及其优化模块OptimetricsTM。 可应用于复杂的表面PBG/EBG无限大周期结构。
Floquet port介绍
如前所述，FSS属于典型的散射体结构，物理上多采用周期结构 实现。在采用数值分析方法研究其散射特性时，可以结合周期边界条 件对其单元进行离散化剖分，并利用前文介绍的有限元法、矩量法或 者时域有限差分等数值计算方法直接计算其散射特性。但是，这些方 法由于计算机内存的限制对于分析问题的规模造成局限，因此， Floquet模式方法结合数值计算在分析频率选择表面等周期结构2.5维 问题时显示出越来越重要的作用。
HFSS 模型
Material0.3 copper
Material0.1 Material0.3 Material6 Material0.3 Material0.1 copper Material0.3
Material0.1 Material0.3 Material6
Relative Permittivity
HFSS 中与FSS结构设计相关的功能特点（三）
¾ 强大的自适应网格剖分能力：自动调整网格剖分使其满足对模型电性
能求解的需要，大大减少了设计者的工作量，降低了对设计经验的要求。
初始网格
自适应加密后的网格
¾ 专为工程设计量身定制的收敛精度控制：可实时显示并更新自适应求解的结果
¾ 矩阵求解结果 ¾ 场解
扫频设置
在采用Reference for FSS的 PML边界时，可支持的扫频方式 有 离散扫频（Discrete）和插值 扫频（Interpolating），后者的速 度更快。
定义入射波的极化
e e − jkx x − jky y
其中，波数 k x 定义为
kx
=
2π a
m+ψx a
而 k y采用相同方式定义