FSS仿真方法_西电培训

频率选择性表面仿真方法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[e-mail]公司内容大纲¾FSS概述¾HFSS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FSS¾左手媒质在微波工程中的应用名词缩写表¾AMCArtificialmagneticconductor（人工磁导体）¾EBGElectromagneticbandgap（电磁带隙）¾FDTDFinite-differencetime-domain（时域有限差分法）¾FEMFiniteElementMethod（有限元法）¾FSSFrequencyselectivesurface（频率选择性表面）¾PBGPhotonicbandgap（光子带隙）¾PMLPerfectmatchlayer（理想匹配层）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¾EMI防护¾左下方图中是FSS的新的应用领域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、或以球面波形式入射到FSS结构上都会对FSS的通带/阻带特性产生重要影响各种不同的FSS单元[1]FSS的典型应用领域天线罩新型天线隐身PCBPI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昀大；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曲面共形设计指标单元设计指标组阵设计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¾ALPS快速扫频算法¾Floquet端口技术¾Screeningimpedance边界条件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可对任意输出场量进行复数、代数、微积分和编程运算v11¾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线天线源入射的高斯波束入射波与反射/折射波叠加后的总场空气玻璃¾多种入射波源类型可充分满足设计和测试需要HFSS中与FSS结构设计相关的功能特点（二）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（三）参考书目：“FrequencySelectiveSurfaces:TheoryandDesign”,BenA.Munk,Fig2.15,pg38¾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中与FSS结构设计相关的功能特点（四）HFSS仿真结果实测结果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。单元选型与设计组阵设计共形FSSFSS设计FSS单元在HFSS中的仿真方法波导法: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。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Floquetport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。FloquetPortvsWavePort¾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Floquetport类似于Waveport，区别在于FloquetportFloquet设置步骤1－画栅格向量画向量格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Floquetport的模式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Floquet设置步骤5－后处理（可选）¾FSS散射体或者天线口径Floquet参考相位端口处的凋落模问题‹当满足时，只有时，只有的主的主模能模能够传播，够传播，而对于其它情而对于其它情况，况，高次模则能够传播。高次模则能够传播。模式数的选择模式数的选择0pq==222(/)(/2)(1sin)xyddλλθ+≥+2(/),(/)(1sin)xyddλλθ≥+24参考相位平面的选取‹‹对于凋落模（对于凋落模（为负的纯虚数），为负的纯虚数），FloquetFloquet模在方向没有相位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。因为变化，但存在幅度的衰减，从而导致传输阻带。因为SRRSRR异向异向介质的谐振响应通常表现为介质的谐振响应通常表现为S21S21参数的极小值参数的极小值,,故考虑故考虑SRRSRR异向异向介质层的介质层的SS参数参数‹‹为反射系数，为反射系数，为传输因子。可以看出为传输因子。可以看出,,将随着传输因子的减小而减小将随着传输因子的减小而减小..当当变为纯虚数变为纯虚数,,意味着电磁意味着电磁波将随离激励源的距离增加而指数衰减波将随离激励源的距离增加而指数衰减,,从而导致从而导致S21S21出现极小出现极小值，可见值，可见SRRSRR异向介质谐振响应是由异向介质谐振响应是由FloquetFloquet凋落模所引起凋落模所引起。。21122(1)1mpqpqmpqmpqpqRTSRT−=−pqγ22122(1)1pqmpqmpqmpqpqTRSRT−=−pqγexp()pqpqTidγ=−mpqR25仿真结果－矩阵数据TM00TM0-1proporcut-off[S]一个FSS单元的典型仿真设置sub1sub1metal1metal1sub2sub2sub3sub3sub6sub6sub4sub4sub5sub5metal2metal2sub7sub7HFSS模型LayersLayerssub1Material0.3metal1coppersub2Material0.1sub3Material0.3sub4Material6sub5Material0.3sub6Material0.1metal2coppersub7Material0.3RelativePermittivityDiel.losstangentMaterial0.10.016Material0.30.023Material60.00171rε2rε3rε设置Floquet端口在在HFSSv11HFSSv11中，可采用中，可采用FloquetFloquet端口端口定义的方式代替入射波激励；定义的方式代替入射波激励；在在FloquetFloquetportport中定义入射波角度；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。扫频设置在采用ReferenceforFSS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。定义入射波的极化其中，波数定义为而采用相同方式定义yxjkyjkxee−−xk2xxkmaaψπ=+yk仿真结果（v11）斜入射theta=60deg（v11）单元选型与设计组阵设计共形FSSFSS设计向量格和结构单元（一）Master/Slave¾¾UsedifferentcombinationsofMasterandSlaveboundaryUsedifferentcombinationsofMasterandSlaveboundaryconditionstocreatedifferentarraytopologiesconditionstocreatedifferentarraytopologies矩形阵矩形阵Master/Slave¾¾三角形阵三角形阵Master/Slave¾¾任意三角形阵任意三角形阵Master/Slave¾¾六角形阵六角形阵HFSSHFSS的算法与网格剖分技术是其灵活的组阵能力的保证！的算法与网格剖分技术是其灵活的组阵能力的保证！单元选型与设计组阵设计共形FSSFSS设计FSS的常见共形载体FSS求解配合ScreeningImpedance边界条件处理整机RCS仿真时的进气道ScreenedairintakeScreeningimpedanceScreeningimpedanceBC¾Homogenizationisageneralmethodtoreplaceperiodicstructures¾IntroducinganisotropicimpedanceBCmakesthemethodevenmoreaccurateHomogenizationHomogenization=FindtheequivalentimpedanceBC(frequencydependent)ShieldingGridImpedanceBCUnitCellSolutionPMCUnitcellPort1Port2PECDeembeddingPort1Port2Equivalent,homogeneousImpedanceextractionPort1Port2ZhFrequencydependentNewAnisotropicImpedanceBCAnisotropicshieldsxyAnisotropicImpedanceBC⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡xyyxyxHHZZEE00ver11Horizontalpolarizationver11Verticalpolarizationver11PCBinSIwaveYellowtracesareclock