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（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；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。

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。介质基板

PEC

ε1 μ1

ε2 μ

2

图5-3-1 FSS的基本结构

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。

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5-3-4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。

入射波

（a ）

（b ） 图5-3-2 基本的频率选择表面

频率

带通

图5-3-3 两种形式的传输系数

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εr=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 out=3.7471mm，内半径R in=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。

Slave2

Slave1

FSS单元

Master1 Master2

（a）仿真模型示意图（b）HFSS仿真模型

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）由主菜单选择File→Save as，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HFSS→Solution Type，在弹出的对话框窗口选择Driven Modal项，如图5-3-6所示。

3.设置单位

有主菜单选择Modeler→Units，在Set Model Units对话框中选择mm项，如图5-3-7所示。

图5-3-6 求解类型设置对话框图5-3-7 单位设置对话框

4.创建模型

1)绘制介质板

（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Add Materials按钮。在弹出的窗口中，将Material Name改为Material1，将第一行中的Value的值改为2.2，点击OK按钮确定，在点击确定按钮，如图5-3-8所示。

图5-3-8 材料设置对话窗口