带阻频率选择表面的设计详细教程
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。
低频带通与带阻自由切换的频率选择表面
低频带通与带阻自由切换的频率选择表面徐阳;高劲松;徐念喜;单冬至;宋乃涛【摘要】为了在不同时域下获得兼具带通与带阻空间滤波功能的低频频率选择表面(FSS),提出了一种带通与带阻型FSS可自由切换的设计方法,即在基于卷曲技术设计的小型化FSS表面上贴装电控PIN二极管,并利用"场-路"协同仿真的方法进行建模与计算.其中,卷曲图案既是滤波结构,也是馈电导线.当 PIN二极管导通时,卷曲图案缝隙处产生的电容C1与金属贴片电感 L1构成并联LC回路,FSS表现为带通滤波功能;反之,焊盘处缝隙及反偏 PIN二极管产生的电容C2与金属贴片电感 L2串联,FSS切换为带阻滤波功能.采用印刷线路板及表面贴装工艺制作出了400 mm × 400 mm 试验样件并采用自由空间法进行测试,仿真与测试结果表明:在2.45 GHz处,当PIN二极管导通时,FSS表现为强透射性能,反之则表现出强反射效果.这种基于电控PIN二极管开关所实现的带通与带阻型FSS自由切换方法在通信、电磁屏蔽及雷达隐身等领域具有广阔的应用前景.%To obtain a frequency-selective surface(FSS)structure with band-pass and band-stop spatial filtering functions at low frequency in different time domains,a design method for switching between band-pass and band-stop responses of the FSS was proposed.It was consisted of mounting PIN diodes on the miniaturized FSS,which was designed based on a convolution technique,and utilizing EM/Circuit Co-Simulation for calculations and analysis. It was noteworthy that the convoluted pattern was not only the filtering structure,but also serves as the feeder.When PIN diodes were in the ON-state,the parallel LC circuit constituted by the inductance L1of the metallic patches and the capacitance C1of the pattern slots represents theband-pass performance of the FSS. Conversely,the total capacitance C2of the reversed PIN diodes and the gap between the pads in series with the inductance L2of the metallic patches indicate the occurrence of band-stop performance for the FSS when the PIN diodes are in the ing a printed circuit board and surface mounting technology,a prototype of 400 mm×400 mm was fabricated and measured by the free space method. The simulation and test results indicate that,for a frequency of 2.45 GHz,the FSS exhibits strong transmission when the PIN diodes are in the ON-state,w hereas a strong reflection is obtained when the PIN diodes are in the OFF-state.With this method,arbitrary switching of the FSS between band-pass and band-stop responses is realized,based on electrically controlled PIN diodes,which has a broad range of prospective applications in the fields of telecommunication,electromagnetic shielding, and radar stealth.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)001【总页数】8页(P142-149)【关键词】频率选择表面;"场-路"协同仿真;PIN二极管;电桥网络【作者】徐阳;高劲松;徐念喜;单冬至;宋乃涛【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TN957;TN7611 引言频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，FSS)是由金属屏上周期性的开孔单元(孔径型或带通型)或介质基底上周期性的金属贴片单元(贴片型或带阻型)构成的一种二维周期阵列结构。
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。
ε1 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。
宽带频率选择表面带阻滤波器的优化设计
现代微波通信系统需要具有良好的通阻带和宽 频 带特 性 的滤波器 ， 包 括 平 坦 的通 带 特 性 和 陡峭 的 截止 特性 ， 带外 抑 制好 ， 插 入损 耗 小 ， 并 且 具有 极 化 和角度 的稳定 性 ． 传 统 的单 层 Ｆ Ｓ Ｓ存 在 窄 带 和不 够 理 想 的频 率 响应特 性 ． 采 用 宽 带特 性 的单 元块 和 多 层 结构 是实 现宽带 稳 定 Ｆ Ｓ Ｓ结构 的首 选． 六 边形 结 构 具有 稳定 的宽带 效 应 ， 本 文 选择 六 边 形 多层 阵列 结 构作 为宽带 滤 波器应 用 的 Ｆ Ｓ Ｓ结构 ． Ｆ Ｓ Ｓ 频率响应的数值计算部分采用基于 Ｆ ｌ ｏ ｑ ｕ ｅ ｔ 定理的谱域 Ｍ ｏ Ｍ法． 宽带意味着频率点增多， 谱域 Ｍ ｏ Ｍ方法中最花费计算时间的操作就是 阻抗矩 阵 的求解 和矩 阵方程 获 得 电流 分 布 的收 敛性 ， 特别 是 执行频率扫描和角度扫描时． 在谱域 Ｍ ｏ Ｍ 中利用较
本 文聚焦在宽带 Ｆ Ｓ Ｓ滤 波器 的设 计算法 研究 上 ， 设计过程包 括 Ｆ Ｓ Ｓ频率响应的计 算和结 构参数 的优化
Ｄ Ｅ和 Ｐ Ｓ Ｏ在收敛性和计算时间上优于 Ｇ Ａ， 并且在 很 多应用 中如 在雷 达吸 波材 料 的优化 ¨ 。 。 、 天 线 阵列 的优化 ¨ ， Ｄ Ｅ优 于 Ｐ Ｓ Ｏ． 本 文采 用 Ｄ Ｅ优 化 算 法来 优化 Ｆ Ｓ Ｓ 周期结构． 传统的 Ｄ Ｅ在多层 Ｆ Ｓ Ｓ的设计 上仍然 会 出现收敛 速度 慢 和 优 化失 败 的情 况 ， 改 进 Ｄ Ｅ算 法使 其 收敛 性 更 快 ， 使 其 更 为 有 效 地 应 用 到 优化 Ｆ Ｓ Ｓ 结构 ， 尽快地获取需要 的频率响应具有重 要 的科 学 意义 ．
双阻带小型化频率选择表面的设计
特性 。图 ３为在 Ｔ Ｅ模 式 入射 波从 ０ ５ 。 化 时的 ｓ曲线 ， 。一 ０ 变 可 以看 出随 着入射 角 的增 加 ， 传输 禁带 的中心频 率保 持 不变 ，
一
ｎ ｒ ａ ｎ ｉ ｅ ｔ ｔ Ｅ ｐ ｌｒｚ ｔ ｎ ｏ ｌ ｌｉ ｃｄ ｎ ｈ Ｔ ｏａ ｉａ ｉ ｎ ｗｉ ｏ
５ ｍｍ 。
（ ） 型 化 双 阻 带Ｆ Ｓ 构 图 ａ小 Ｓ结
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图 １ 小 型化 双 阻 带 Ｆ Ｓ结 构 与 Ｆ Ｓ单 元 图 Ｓ Ｓ
Ｆｉ．１ Ｔｈｅ ｇ ｏ ｒ ｎ ｈｅ ｕ ｔｃ ｌｏ ｉｉ ｔ ｅ ｔ ｐ ｎ Ｓ ｇ ｅ ｍｅ ｙ ａ ｄ ｔ ｎｉ ｅｌ ｆｍ ｎ ａｕｒｄ ｓｏ ｂａ ｄ ＦＳ
２种 互补 结构对 单元 谐振 频率 附近 电磁波 具 有 良好 的选 择 性 ， 属贴 片 结构 呈 全 反射 特 性 而缝 隙 结 构呈 全 金 透特性 。Ｆ Ｓ在微 波 、 Ｓ 毫米 波 、 红外 直 至光波 的各个 频谱 段都 得 到 了广泛 应 用 ， 特别 在微 波 频段 ，Ｓ 为 电 Ｆ Ｓ作 磁空 间滤波 器件 在军事 、 通讯 、 电磁安 全等方 面都 得到 了深入研 究 Ｉ］ １４。 Ｆ Ｓ的仿 真设 计 中假 设单 元周 期无 限排 列 ， 而得 到其传 输特性 ， 以实 际应用 中有效 尺 寸 的表 面必 须 Ｓ 从 所
理可将 Ｆ Ｓ周期 的场 用 相对 于 ｚ 的 Ｔ 和 Ｔ Ｓ 轴 Ｍ Ｅ模 式 来 表 示 ， 真 中通 常 分别 计 算 Ｔ 仿 Ｅ及 Ｔ 模 式 下 ＦＳ的 Ｍ Ｓ 传输 特性 。 由于所 设计 的单 元 结构 关 于 轴 和 Ｙ轴 完全 对 称 ， 直 入射 时 Ｔ 垂 Ｅ及 Ｔ 模 式 的传输 特性 相 同。 Ｍ
(完整word版)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。
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 ϕ-=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 。
频率选择表面设计原理
频率选择表面设计原理频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是一种具有特定频率选择性的电磁波滤波器，通常被应用于天线、雷达等领域。
频率选择表面的设计原理是非常复杂的，下面我们将逐步详细介绍。
一、频率选择表面的基本原理频率选择表面通常由单元结构重复排列组成，其中每个单元结构都是由金属贴片和介质板组成。
金属贴片的形状及大小、介质板的介电常数等参数决定了频率选择表面的频率特性。
当电磁波传播到频率选择表面上时，会被金属贴片接收、反射、透过或吸收。
通过设置金属贴片的形状及大小，可以控制电磁波的反射和透过，从而实现特定频段的电磁波滤波。
二、频率选择表面的设计步骤1. 确定使用频段在设计频率选择表面之前，需要明确所要使用的频段。
根据频段的不同，需要调整金属贴片的大小、形状、分布方式以及介质板的材料及结构等参数。
2. 选择金属贴片形状不同形状的金属贴片对电磁波的反射和透过具有不同的影响。
在选择金属贴片形状时，需要考虑其反射和透过的频率特性，并确定最佳的形状。
3. 优化金属贴片大小和间距金属贴片的大小和间距也对频率选择表面的频率特性有重要的影响。
通过适当地调整金属贴片大小和间距，可以使频率选择表面在目标频段内具有更优异的性能。
4. 选择介质板材料介质板材料的介电常数对频率选择表面的频率特性也有很大的影响。
需要根据所选频段的介电常数，选择合适的介质板材料。
5. 确定金属贴片的分布方式金属贴片的分布方式是影响频率选择表面性能的另一个因素。
在设计过程中，需要综合考虑金属贴片的形状、大小、间距和介质板材料等因素，确定合适的金属贴片分布方式。
三、应用前景频率选择表面作为一种有效的电磁波滤波器，已经在天线、雷达等领域得到广泛的应用。
在未来，随着通信、雷达等技术的不断发展，频率选择表面的应用前景也将不断拓展。
总之，频率选择表面的设计原理是非常复杂的，需要考虑各种参数的综合影响。
只有深入研究其设计原理，才能够更好地应用于实际场景中，为人们的生活和工作带来更多便利。
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带阻频率选择表面的设计详细教程
1 引言
频率选择表面（FSS）是二维周期阵列结构，它由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。
这种表面可以在单元谐振频率附近呈现全反射（贴片型）或全传输特性（孔径型），分别称为带阻或带通FSS。
实际的带阻段是由一层或多层被介质层分开的FSS贴片层组成。
为了FSS的频率响应相对于入射角和极化的稳定性，金属贴片层通常镶嵌在多层介质层里。
另外，两层或多层FSS贴片层背靠背叠加在一起可以产生很好的通带特性（平坦的通带，陡降的边带）。
2 带阻频率选择表面的设计
通常的带阻滤波器是由两层FSS金属层和中间的介质层组成。
中间的介质片决定了传输曲线通带的平坦性，FSS金属层决定了传输曲线的带宽和谐振频率。
介质片的厚度和介电常数非常重要。
介质片的厚度典型的被取在0.5，是阻带中心的波长。
两个FSS层之间的介质层提高了带阻滤波器相对于入射角的稳定性。
尽管从稳定性的角度看，介电系数的值越高越好，但是高的值也引入了高的传输损耗。
这样，根据设计需要，必须对介电系数的取值做综合的考虑。