频率选择表面-HFSS报告
频率选择表面的等效电路_概述说明以及解释
频率选择表面的等效电路概述说明以及解释1. 引言1.1 概述频率选择表面（Frequency Selective Surface，简称FSS）是一种具有特定频率响应特性的二维或三维结构，常用于控制电磁波的传输和反射。
相比于传统的无源电子元件，频率选择表面通过其特殊的等效电路模型实现了对电磁波的频率选择功能。
本文将介绍频率选择表面的等效电路模型以及其在通信、雷达、天线等应用领域中的重要性。
1.2 文章结构本文主要包括以下几个部分：引言、频率选择表面的等效电路概述、频率选择表面的等效电路模型、设计和优化方法、结论与展望。
首先，我们将在引言部分介绍文章的背景和目的，为后续内容做铺垫。
接着，我们将详细阐述频率选择表面的定义和背景，并探讨其结构和原理以及在不同应用领域中的应用情况。
然后，我们将介绍常见的几种频率选择表面的等效电路模型，包括电感模型、电容模型和电阻模型。
随后，我们将探讨设计和优化方法，涵盖参数选择与调整、材料特性与性能分析以及实验测试与验证技术。
最后，我们将总结主要发现，并展望频率选择表面的未来发展方向。
1.3 目的本文旨在深入了解频率选择表面的等效电路模型，包括其定义和背景、结构和原理以及应用领域。
通过对电感模型、电容模型和电阻模型的介绍，读者可以对频率选择表面的工作原理有更为清晰的认识。
同时，我们将讨论设计和优化方法，以帮助读者更好地应用频率选择表面于实际工程中。
最后，我们将总结文章主要内容，并探讨未来频率选择表面在相关领域中的潜在发展方向。
2. 频率选择表面的等效电路2.1 定义和背景频率选择表面（Frequency Selective Surface，简称FSS）是一种具有特定波长选择性的电磁波滤波结构。
它可以实现对特定频率范围内的电磁波进行选择性透射或反射。
在无线通信系统、天线设计、雷达技术、光学器件等领域，对特定频段的电磁波进行控制和管理是非常重要的。
频率选择表面通过其特殊的物理结构和材料参数，能够实现对特定频率范围内电磁波的限制或传输，在这些应用中得到了广泛的应用。
hfss软件界面功能及设计流程实验报告
hfss软件界面功能及设计流程实验报告下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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多层频率选择表面复合吸波结构的研究
多层频率选择表面复合吸波结构的研究郑晓静;唐章宏;施楣梧;李永利;王群【摘要】In this paper, a fast semi-analytical and semi-numerical method was adopted to calculate the reflection coefficient of multilayer FSS-embedded composite structure. For a two-layer composite structure absorbing material, the reflection coefficient was calculated and measured, and the measuring result verified the correctness of fast method. Since the two-layer composite structure absorbing material has narrow absorbing bandwidth, a new FSS-embedded composite structure absorbing material based on the two layer composite structure was designed. The reflection coefficient of new structure was calculated and measured, and both results show that new structure has low reflection coefficient in wide bandwidth.%文中采用一种快速求解方法--半解析半数值法计算多层频率选择表面（Frequency Selective Surface,简称FSS）复合结构的反射系数，然后结合具体两层复合结构的实例通过测试验证了半解析半数值法的正确性，并基于复合结构吸波材料吸波频带窄的缺点，在此基础上，设计出一种新的圆形FSS复合结构吸波材料。
高频结构仿真软件HFSS
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有限元法：将一个结构分成成千上万的小区域（单元）可以使系统分别计 算每一个单元。系统划分的区域越小，最终值越精确。实现场的优化计算。
2018年11月5日 7
HFSS－求解器类型
Driven Modal（驱动模式）激励求解：计算基于S参数
（微波网络S参数）的模型。根据波导模式的入射和反 射能量计算S矩阵 通用S参数 Driven Terminal（终端驱动）激励终端求解：计算基 于多导体传输线端口的终端S参数。根据终端电压和电 流计算S矩阵； Eigen mode（本征模）：计算结构的本征模，谐振。 本征模求解器将寻找到结构的谐振频率并计算这些谐 振频率上的场；
2018年11月5日
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HFSS的核心算法
下面显示着一个由模拟器建立的样本结构。这个混合接头的唯一特征
是信号从端口１均匀耦合到２、３端口，不耦合到４端口。在 Ansoft HFSS，这个几何结构自动被剖分成大量的四面体，一个四面体基本上 是一个四面的角锥。四面体的集合叫做有限元网面。下图是混合接头 4 的有限元网面剖分图。
2018年11月5日
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HFSS的操作步骤
Ansoft HFSS提供了一个直观、易于使用、用于建立任意三维无源器件
模型的界面。创建一个设计包括以下几个步骤：
1）File>New，然后点击Project>Insert HFSS Design，新建一个Project。
当然可以通过File>Open，打开一个已经存在的Project；
2）HFSS>Solution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。HFSS
有三种解算类型，第一种是模式驱动（Driven Modal），根据波导模式 的入射和反射功率表示 S 参数矩阵的解；第二种是终端驱动（ Driven Terminal），根据传输线终端的电压和电流表示 S参数矩阵的解；第三 种是本征模（Eignemode），求解物理结构的谐振频率以及这些谐振频
电磁场HFSS实验报告【范本模板】
实验一 T形波导的内场分析实验目的1、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。
2、掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理. 实验仪器1、装有windows 系统的PC 一台2、HFSS15。
0 或更高版本软件3、截图软件实验原理本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的T形波导。
其中，波导的端口1是信号输入端口，端口2和端口3是信号输出端口.正对着端口1一侧的波导壁凹进去一块，相当于在此处放置一个金属隔片.通过调节隔片的位置可以调节在端口1传输到端口2，从端口1传输到端口3的信号能量大小，以及反射回端口1的信号能量大小。
T形波导实验步骤1、新建工程设置:运行HFSS并新建工程：打开HFSS 软件后，自动创建一个新工程：Project1，由主菜单选File\Save as ，保存在指定的文件夹内，命名为Ex1_Tee；由主菜单选Project\ Insert HFSS Design,在工程树中选择HFSSModel1，点右键，选择Rename项,将设计命名为TeeModel.选择求解类型为模式驱动（Driven Model）:由主菜单选HFSS\Solution Type ,在弹出对话窗选择Driven Model 项.设置长度单位为in：由主菜单选3D Modeler\Units ，在Set Model Units 对话框中选中in 项。
2、创建T形波导模型:创建长方形模型：在Draw 菜单中，点击Box 选项，在Command 页输入尺寸参数以及重命名;在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数Transparent(透明度）将其设为0。
8。
Material(材料）保持为Vacuum。
设置波端口源励：选中长方体平行于yz 面、x=2 的平面；单击右键，选择Assign Excitation\Wave port项，弹出Wave Port界面，输入名称WavePort1；点击积分线(Integration Line) 下的New line ,则提示绘制端口,在绘图区该面的下边缘中部即（2,0，0)处点左键,确定端口起始点，再选上边缘中部即（2,0,0.4）处，作为端口终点。
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PECε1 μ1ε2 μ2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。
Ansoft-HFSS-软件原理及应用
Ansoft HFSS 软件的基本原理及应用一、简介（Brief Introduction）Ansoft HFSS （全称High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。
Ansoft HFSS的应用领域：天线1. 面天线：贴片天线、喇叭天线、螺旋天线2. 波导：圆形/矩形波导、喇叭、波导缝隙天线3. 线天线：偶极子天线、螺旋线天线4. 天线阵列：有限阵列天线阵、频率选择表面（FSS）、5. 雷达散射截面（RCS）微波1. 滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器2. EMC（Electromagnetic Compatibility）/EMI（Electromagnetic Intergerence ）：屏蔽罩、近场－远场辐射3. 连接器：同轴连接器\底板、过渡4. 波导：波导滤波器、波导谐振器、波导连接器5. Silicon/GaAs：螺旋电感器、变压器通过HFSS可以获取的信息：1．矩阵数据：S、Y、Z参数和VSWR（匹配）2．相关的场：2D/3D近场－远场图电场、磁场、电流（体/面电流）、功率、SAR辐射3．某空间内的场求解求解类型：Full-wave求解原理：3D有限元法（FEM）网格类型：等角的网格单元：正四面体网格剖分形式：自适应网格(Adaptive Meshing)4．激励：端口求解求解原理：2D-FEM形式：自适应网格（边界条件）HFSS软件的求解原理总体来说，HFSS软件将所要求解的微波问题等效为计算N端口网络的S 矩阵，具体步骤如下：●将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）●在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式●假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式●由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵图1 求解流程图自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。
Ansoft分析频率选择表面FSS
Ansoft分析频率选择表面FSSAnsoft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)点击工具栏图标图5 点击Layers dialog (2)在弹出窗口中选择Stackup，准备Add Layer图6 Stackup标签项中加入层Add Layer (3)点击Add Layer按钮，加入接地层，名字Gnd，类型metalizedsignal。
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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PECε1 μ1ε2 μ2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 EŜ E H i H t 缝隙阵（a ）（b ）图5-3-2 基本的频率选择表面 0 频率偶极子阵谐振频率带通带阻缝隙阵 图5-3-3 两种形式的传输系数图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）属于图5-3-4 FSS常用谐振单元贴片型。
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。
Slave2Slave1FSS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。
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5-3-6 求解类型设置对话框 图5-3-7 单位设置对话框设置完毕后，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。
图5-3-8材料设置对话窗口 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（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。
图5-3-11 绘制第二个圆形后的模型图图5-3-12 相减操作对话框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。
UV（a ）从边界 U V （b ）主边界 U V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图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。