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。
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。
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。
FSS 单元
Master1
Master2
Slave1
（a ）仿真模型示意图 （b ）HFSS 仿真模型
图5-3-5 FSS 仿真模型图
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。
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Draw →Circle ，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）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OK 确定，如图5-3-10所示。
（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 →Circle ，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，在菜单栏中点击Modeler →Boolean→Substract ，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所示。 （12）点击选择圆环Ring ，单击右键，在下拉菜单中选择Assign Boundary →Perfect E ，将Ring 设置为理想导体。
3)绘制空气腔
（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：○
1主从边界只能定义在平面，可以是2D 和3D 物体表面；○
2一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，就会出现错误信息。以图5-3-15为例。
要在坐标系内匹配主边界，相应的从边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Select Faces 。
（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Assign Boundary →Master 。
（3）在弹出的对话框中，Name 项默认为Master1。 （4）Coordinate System 项下，U Vector 后的下拉菜单选择New Vector ，然后沿介质块在该面上的一条边画一条积分线。不勾选V Vector 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 Boundary →Slave 。 （6）弹出对话框，Name 项默认为Slave1，Master 项选择Master1。
（7）Coordinate System 项下，U Vector 后的下拉菜单选择New Vector ，然后沿介质块在该面上的一条边画一条积分线。软件自动勾选了V 后的复选框。点击下一步。
（8）此处我们设计的是垂直入射情况，Scan Angles 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Assign Boundary →Master 。
（2）在弹出的对话框中，Name 项默认为Master2。 （3）Coordinate System 项下，U Vector 后的下拉菜单选择New Vector ，然后沿介质块在该面上的一条边画一条积分线。不勾选V Vector 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 Boundary →Slave 。 （5）弹出对话框，Name 项默认为Slave2，Master 项选择Master2。
（6）Coordinate System 项下，U Vector 后的下拉菜单选择New Vector ，然后沿介质块在该面上的一条边画一条积分线。软件自动勾选了V 后的复选框。点击下一步。
（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。
（a ）从边界
（b ）主边界
图5-3-15 HFSS 软件中的主从边界的不匹配
图5-3-16 HFSS 软件中主从边界的匹配
6. 设置Floquet 端口
1) 上表面Floquet 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 Excitation →Floquet Port 。 （2）在弹出的窗口中，General 标签页下，Name 项默认为https://www.360docs.net/doc/9155635.html,ttice Coordinate System 项中，A 后的下拉菜单中选择New Vector ，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New Vector ，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）Phase Delays 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Scan Angles 选默认值：0deg 。点击下一步。
（4）ModeSetup 标签页下，Number of 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
（5-3-1） ，
（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 Calculator ，如图5-3-20所示，在弹出窗口中的设置要与Floquet Port 窗口中其它标签页的设置一
致。
（5） 勾选Affects Refinement 下的两个复选框，点击下一步，点击完成。
2) 下表面的Floquet 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Assign Excitation→Floquet Port 。
Master1
Master2
（2） 在弹出的窗口中，Name 项默认为FloquetPort2.
（3）Lattcie Coordinate System 项，A 和B 后的下拉菜单都选择Defined ，然后点击下一步，最后点击完成。如图5-3-21所示。
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Project
→project Variable 。 （2）在Project Variable 标签页中选择Value 。
（3）点击Add 添加工程变量$RingIn ，其值设为3.1471mm 。
[注意]定义工程变量时，在变量名称前一定要冠以符号$，变量的值一定要带上单位，如图
图5-3-20 模式计算器设置窗口
5-3-22所示。
（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*$AirBox
图
5-3-22
添加工程变量对话窗口
图5-3-23 操作历史树
界面
图5-3-24 介质板的模型设置窗口
（3）展开Air ，双击CreatBox ，在弹出的如图5-3-25所示的对话窗口中将原尺寸改为： Position ：?$AirBox ,?$AirBox ,?31mm XSize ：2*$AirBox YSize ：2*$AirBox
（4）展开Ring ，进而展开Subtract 中的Circle2，如图5-3-23所示，双击CreatCircle ，在弹出的对话框中作如下修改（图5-3-26）：
Radius ：$RingIn
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HFSS →Analysis Setup→Add Solution Setup 。 （2）在求解设置窗口中作如下设置： Solution Frequency ：10GHz Maximum Number of Passes ：6 Maximum Delta S Per Pass ：0.02 （3）点击OK 确定。 2）设置频率
图5-3-25 空气腔的模型设置窗口
图5-3-26 FSS 单元的模型设置窗口
（1）在菜单栏中点击HFSS →Analysis Setup→Add Frequency Sweep 。 （2）Sweep Name 选择Setup1，点击OK 确定。 （3）在扫频窗口作如下设置： Sweep Type ：Interpolating
Frequency Setup Type ：LinearStep Start ：5GHz Stop ：15GHz
Step Size ：0.1GHz Max Solutions ：100 Error Tolerance ：0.2% （4）点击OK 确定 9. 求解该工程
在菜单栏中点击HFSS →Analyze 。 10．尺寸优化
（1）在菜单栏中点击Project →Project Variables ，在对话框中选择Optimization ，选中待优化的变量$RingIn 和$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HFSS →Results→Output Variables 。添加输出变量PowerConversion 。在Name 项填入PowerConversion ，在Expression 项填入（mag （S （FloquetPort2:1，FloquetPort1:1）））^2，点击Add 按钮添加。点击Done 确认退出窗口。
（3）在菜单栏中点击HFSS →Optimetrics Analysis→Add Optimization 。在Goals 标签页中点击Setup Calculation ，在Category 下选择Output Variables ，点击Add Calculation 按钮添加。
（4）如图5-3-28所示，在Goals 标签页下设置PowerConversion 的Goal 为[0.01]。
图5-3-27 优化变量设置窗口
（5）在菜单栏中点击HFSS →Analyze ，进行优化设计，最后得到模型尺寸为$RingIn=，$AirBox=。 5.3.4 仿真结果的分析和讨论 1. S 参数
1）生成S 参数图
（1）在工程树中右键单击Results ，选择Creat Modal Solution Data Report 后在其下拉菜单中选择Rectangular Plot 。
（2）在弹出对话框中如图5-3-29所示，进行如下设置： Category ：S Parameter
Quantity ：按住Ctrl 键选择S （FloquetPort1:1，FloquetPort1:1）和S （FloquetPort2:1，FloquetPort1:1）
Function ：dB
（3）点击New Report 添加S 参数结果图，如图5-3-30所示。 2）分析和讨论
由S 参数图我们可以看出，反射系数在10GHz 处出现谐振点，表明该FSS 单元在其中心频率10GHz 附近具有滤波特性。
2. 传输系数图 1） 生成结果图
图5-3-28 优化设置窗口
（1）在工程树中右键单击Results ，选择Creat Modal Solution Data Report 后在其下拉菜单中选择Rectangular Plot 。
（2）在弹出对话框中进行如下设置： Category ：Output Variables Quantity ：PowerConversion Function ：None
（3）点击New Report 添加，生成如图5-3-31所示的结果图。
2） 分析和讨论
对比图5-3-31，可以看出例子设计的FSS 但愿可以作为一个带阻滤波器，它阻碍通过其谐振频率10GHz 的波，但可以通过高于和低于10GHz 的波。
图5-3-31 传输系数结果图
频率选择表面分析方法
频率选择表面的研究起始于上世纪60年代，国内外大批学者均为之投入了大量精力进行广泛深入的工作，提出了各种不同的数学分析与计算方法，如交分法，等效电路法，模式匹配法，谱方法等，这些计算方法主要可分为两大类，即标量分析方法与矢量分析方法。前者包括变分法，等效电路法等，其仅可通过计算获得关于反射透射系数的幅度信息，通用性差，但计算量小，耗时短；后者包括模式匹配法，谱方法等，其通过计算不仅可获得反射透射系数的幅度信息，还可以获得相关的相位与极化信息，通用性强，但计算量大且耗时长。 值得一提的是，国内研究目前普遍采用模式匹配法进行计算分析，该方法不仅适用于求解任意单元形 状及排列方式的无限大平面FSS 结构，还可应用于多层的FSS 以及均匀层状衬底等组合结构。但这种方法 依然存在不足，即处理复杂多层FSS 时计算量非常大，而且在数值求解过程中，选择适合复杂单元形状的 基函数非常困难，因而难以保证解的收敛速度，降低了有效性。 与一般模式匹配法相比，谱方法原理上也能分析任意单元形状的FSS 结构，在求解无限大FSS 问题时 与模式匹配法相当，该方法在求解过程中要求选取合适的基函数来保证收敛性，但可直接用于求解有耗FSS 的散射问题，与迭代技术相结合可以求解有限尺寸的FSS 散射问题。并且谱方法利用了场的周期性，注意 电流分布的周期性特征，所以求解模型简单，计算量小，是一种很好的方法。 谱展开法 在周期性结构的分析中，谱展开法是一种重要的分析方法。 Floquet 定理; 一维周期结构如图2．5所示。设入射平面波z TM ()0j wt z E E e ?-= 则空间沿x 方向相距为m 个周期的两点之间场为 cos ,(,,)x jm D x x mD y w x y w e βθ-ψ( +,) =ψ 式中ψ 为电磁场的某一分量。m 为一整数，β为传播常数，x D 为沿x 方向的周期长度，θ为入射角，上式即是Floquet 定理。 如果这个周期结构的单元是偶极子等贴片型类型，则入射场在单元上将感应出电压，并产生电流，如果我们将其中一个单元的电流作为基准单元电流(表示为0I )，则距它m 个周期的单元电流表示为m I 。根据Floquet 定理，两者的关系为 cos 0x j mD m I I e βθ-=
频率选择表面(学习笔记)
FSS--相关知识整理 一、基本概念 1、频率选择表面(Frequency Selective Surface ,FSS) 是一种二维周期阵列结构,就其本质而言是一个空间滤波器,与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性。FSS 具有特定的频率选择作用而被广泛地应用于微波、红外至可见光波段。 2、分类 频率选择表面有两种：贴片类型也叫介质类型，开槽类型也叫波导类型。 贴片类型是在介质表面周期性的标贴同样的金属单元，一般而言是作为带阻型滤波器的；低频透射，高频反射； 开槽类型是在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔，从频率特性相应上看是带通型频率选择表面；低频反射，高频透射。 3、频率选择表面的应用 雷达罩：通过安装频率选择表面减少雷达散射截面积。 卡塞哥伦天线副反射面：实现波束的复用与分离。 准光滤波器：实现波束的复用与分离。 吸波材料：基于高损耗的介质，可以实现大带宽的吸波材料。 极化扭转：折线形的频率选择表面是一个线极化变成圆极化的极化扭转器。 天线主面：降低带外的噪声。 4、滤波机理 图1 频率选择表面的滤波机理
频率选择表面和一般意义上的通过电容、电感组成的滤波器在目的上是一致。而滤波机理和有很大的区别（图1）。最大的区别是，一般的滤波器作用的对象是电路中的电流，而且一般滤波器我们主要关心通带的波形是不是有畸变，而对于阻带就就不必关心了。而频率选择表面是对于场的滤波器，不论是透射波还是反射波都是十分重要，不仅仅要关注其幅度、相位的变化，还要关心交叉极化和热损耗等。 A、贴片类型：在介质表面周期性的标贴同样的金属单元。 图2 贴片类型频率选择表面的等效电路 滤波机理： 假设电磁波入射从左向右入射到贴片型频率选择表面上。在平行于贴片方向的电场对电子产生作用力使其振荡，从而在金属表面上形成感应电流。这个时候，入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能，而另一部分的能力就透过金属丝，继续传播。换言之，根据能量守恒定律，维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下，所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上，那么电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场，使得透射系数为零。此时，电子所产生的附加场同时也向金属导线左侧传播，形成发射场。这种现象就是谐振现象，该频率点成为谐振点。直观的看，这个时候贴片型频率选择表面就成反射特性。 再考虑另一种情况，入射波的频率不是谐振频率的时候，只有很少的能量用于维持电子做加速运动，大部分的能量都传播到了贴片的右侧。在这种情况下，贴片对于入射电磁波而言，是“透明”的，电磁波的能量可以全部传播。这个时候，贴片型频率选择表面就成透射特性。 一般而言，贴片类型是作为带阻型滤波器的。 等效电路：LC串联 B、贴片类型：在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔。
Ansoft分析频率选择表面FSS
Ansoft分析频率选择表面FSS Ansoft高级培训班教材 Ansoft分析频率选择表面FSS 苏涛谢拥军编著 西安电子科技大学Ansoft培训中心 Ansoft分析频率选择表面FSS 第一章序言 第二章创建项目 第三章建立几何模型 第四章设定无穷阵列和边界第五章设定入射波 第六章设定解 第七章解的后处理 第一章序言 本文讲解使用Ansoft产品分析频率选择表面。由于频率选择表面是场的问题，所以主要采用平面电磁分析(Ansoft Designer中的Ensemble)和高频结构仿真(HFSS)。 现在，Ansoft在Designer里集成了PMM(Periodic Moment Method)，就像过去在HFSS中集成Master/Slave边界一样，给工程师带来了2D和3D阵列的分析工具，而无需自己编程。再一次，增加了收益。 下面就是使用Ansoft Designer分析FSS的实例。 第二章创建项目
图1 Ansoft Designer界面 1、在Project Manager窗口中Project1默认工程上右击鼠标，选择Insert 项目，插入Planar EM Design 图2 插入一个Planar EM Design 也可以在菜单条目中直接点击Planar EM Design的图标 图2 菜单条中直接点击图标加入Planar EM Design 2、在弹出的Layout窗口中点击None按钮，表示自己定义基板。
图3 选择基板窗口 3、存储工程。点击存盘图标(或选择菜单File/Save)，输入工程名字hexagon，并存盘。最终工作界面如图4所示。 图4 最终工作界面 第三章建立几何模型 1、建立基板结构。 (1)点击工具栏图标
频率选择表面简介
频率选择表面综述 1 滤波原理 两种类型： 1 贴片型（介质型） 在介质表面周期性的标贴同样的金属单元。 滤波机理： 假设电磁波入射从左向右入射到贴片型频率选择表面上。在平行于贴片方向的电场对电子产生作用力使其振荡，从而在金属表面上形成感应电流。这个时候，入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能，而另一部分的能力就透过金属丝，继续传播。换言之，根据能量守恒定律，维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下，所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上，那么电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场，使得透射系数为零。此时，电子所产生的附加场同时也向金属导线左侧传播，形成发射场。这种现象就是谐振现象，该频率点成为谐振点。直观的看，这个时候贴片型频率选择表面就成反射特性。 再考虑另一种情况，入射波的频率不是谐振频率的时候，只有很少的能量用于维持电子做加速运动，大部分的能量都传播到了贴片的右侧。在这种情况下，贴片对于入射电磁波而言，是“透明”的，电磁波的能量可以全部传播。这个时候，贴片型频率选择表面就成透射特性。 一般而言，贴片类型是作为带阻型滤波器的。 等效电路：LC串联
2 开槽型（波导型） 在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔。 滤波机理： 当低频电磁波照射开槽型频率选择表面时，将激发大范围的电子移动，使得电子吸收大部分能量，且沿缝隙的感应电流很小，导致透射系数比较小。随着入射波频率的不断升高，这种电子移动的范围将逐渐较小，沿缝隙流动的电流在不断增加，从而透射系数会得到改善。当入射电磁波的频率达到一定值时，槽两侧的电子刚好在入射波电场矢量的驱动下来回移动，在缝隙周围形成较大的感应电流。由于电子吸收大量入射波的能量，同时也在向外辐射能量。运动的电子透过偶极子槽的缝隙向透射方向辐射电场，此时的偶极子槽阵列反射系数低，透射系数高。当入射波频率继续升高时，将导致电子的运动范围减小，在缝隙周围的电流将分成若干段，电子透过槽缝隙辐射出去的电磁波减小，因此，透射系数降低。而对于在远离缝隙的金属板上所产生的感应电流则向反射方向辐射电磁场，并且由于高频电磁波的电场变化周期的限制了电子的运动，辐射能量有限。因此，当高频电磁波入射时，透射系数减小，反射系数增大。 从频率特性相应上看，开槽型频率选择表面是带通型频率选择表面。 等效电路：LC并联。
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。 偶极子阵 入射波 E S ? E H i H t 缝隙阵 （a ） （b ） 图5-3-2 基本的频率选择表面 频率偶极子阵 谐振频率 带通 带阻 缝隙阵 图5-3-3 两种形式的传输系数
Ansoft 分析频率选择表面FSS
Ansoft高级培训班教材Ansoft分析频率选择表面FSS 苏涛谢拥军编著 西安电子科技大学Ansoft培训中心
Ansoft分析频率选择表面FSS 第一章序言 第二章创建项目 第三章建立几何模型 第四章设定无穷阵列和边界 第五章设定入射波 第六章设定解 第七章解的后处理
第一章序言 本文讲解使用Ansoft产品分析频率选择表面。由于频率选择表面是场的问题，所以主要采用平面电磁分析（Ansoft Designer中的Ensemble）和高频结构仿真（HFSS）。 现在，Ansoft在Designer里集成了PMM（Periodic Moment Method），就像过去在HFSS 中集成Master/Slave边界一样，给工程师带来了2D和3D阵列的分析工具，而无需自己编程。再一次，增加了收益。 下面就是使用Ansoft Designer分析FSS的实例。 第二章创建项目 图1 Ansoft Designer界面 1、在Project Manager窗口中Project1默认工程上右击鼠标，选择Insert项目，插入Planar EM Design
图2 插入一个Planar EM Design 也可以在菜单条目中直接点击Planar EM Design的图标 图2 菜单条中直接点击图标加入Planar EM Design 2、在弹出的Layout窗口中点击None按钮，表示自己定义基板。 图3 选择基板窗口 3、存储工程。点击存盘图标（或选择菜单File/Save），输入工程名字hexagon，并存盘。最终工作界面如图4所示。
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（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 PEC ε1 ε2 μ2 图5-3-1 FSS 的
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 偶极 子阵 入射波 E S ? E H i H t 缝隙阵 （a ） （b ） 图5-3-2 基本的频率选0 频率偶极子阵 谐振频率 带通 带阻 缝隙阵 图5-3-3 两种形式的
频率选择表面的滤波原理与应用
频率选择表面的滤波原理与应用 频率选择表面就其本质而言是一个空间滤波器。和一般意义说的通过电容、电感组成的滤波器在目的上是一致。而滤波原理和有很大的区别。 最大的区别是，一般的滤波器作用的对象是电路中的电流，而且一般滤波器我们主要关系统带的波形是不是有畸变，而对于阻带就就不必关心了。而频率选择表面是对于场的滤波器，不论是透射波还是反射波都是十分重要，不仅仅要关注其幅度、相位的变化，还要关心交叉极化和热损耗等等。 1频率选择表面的滤波机理 频率选择表面有两种：贴片类型也叫介质类型和开槽类型也叫波导类型。 贴片类型：在介质表面周期性的标贴同样的金属单元。 滤波机理： 假设电磁波入射从左向右入射到贴片型频率选择表面上。在平行于贴片方向的电场对电子产生作用力使其振荡，从而在金属表面上形成感应电流。这个时候，入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能，而另一部分的能力就透过金属丝，继续传播。换言之，根据能量守恒定律，维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下，所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上，那么电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场，使得透射系数为零。此时，电子所产生的附加场同时也向金属导线左侧传播，形成发射场。这种现象就是谐振现象，该频率点成为谐振点。直观的看，这个时候贴片型频率选择表面就成反射特性。 再考虑另一种情况，入射波的频率不是谐振频率的时候，只有很少的能量用于维持电子做加速运动，大部分的能量都传播到了贴片的右侧。在这种情况下，贴片对于入射电磁波而言，是“透明”的，电磁波的能量可以全部传播。这个时候，贴片型频率选择表面就成透射特性。 一般而言，贴片类型是作为带阻型滤波器的。 等效电路：LC串联