【《基于CST的频率选择表面设计与仿真分析案例》6600字】

基于CST的频率选择表面设计与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u11436基于CST的频率选择表面设计与仿真分析案例 14370第1章 基于CST的频率选择表面设计 1249581.1CST软件的介绍 1137801.1.1CST仿真软件简介 1278301.1.2CSTMWS软件简介 2241481.2频率选择表面的设计步骤 3288921.2CST软件对频率选择表面仿真 4175511.3设计周期单元制作 59029第2章实验仿真及分析 9180872.1单元的结构 9304992.2仿真方法 10190002.3理论分析 12179332.4仿真结果 12192632.5探究圆环结构参数改变对FSS电磁响应的影响 15第1章 基于CST的频率选择表面设计1.1CST软件的介绍1.1.1CST仿真软件简介随着计算机技术快速的发展，计算电磁学的发展得到了强有力的支持，随之出现了HFSS和CSTMWS等软件，从而使频率选择表面的设计有了可靠的仿真工具。1.CSTStudioSuite简介CSTStudioSuite是一种高性能3DEM分析软件包，用于设计、分析和优化电磁(EM)部件及系统，其允许客户访问多种电磁(EM)仿真解算器，它们使用了有限元方法(FEM)、有限积分技术(FIT)和传输线路矩阵方法(TLM)等方法。这些都是功能最强大的通用解算器，适用于执行高频仿真任务。用于专业高频应用领域（例如大型电气结构或高共振结构）的其他解算器则对通用解算器形成了补充。CSTStudioSuite包含了FEM解算器，专用于静态和低频应用领域，例如机电设备、变压器或传感器。与此相配合的还有用于带电粒子动力学、电子学和多物理场问题的仿真方法。这些解算器无缝集成到了CSTStudioSuite中的一个用户界面，允许针对既定的问题类轻松选择最合适的仿真方法，同时通过交叉验证提供了更高的仿真性能和前所未有的仿真可靠性。2.CSTSTUIOSUITE包含了以下的STUDIOCSTMICROWAVESTUIDO

(简称CSTMWS,中文名称“CST微波工作室”)是CST公司出品的CST工作室套装软件之一,是CST软件的旗舰产品,广泛应用于通用高频无源器件仿真,可以进行雷击Lightning、强电磁脉冲EMP、静电放电ESD、EMC/EMI、信号完整性/电源完整性SI/PI、TDR和各类天线/RCS仿真。结合其它工作室,如导入CSTPCBSTUIDO和CSTCABLESTUDIO空间三维频域幅相电流分布,可以完成系统级电磁兼容仿真;与CSTDESIGNSTUDIO实现CST特有的纯瞬态场路同步协同仿真。CSTDESIGNSTUDIO

(CSTDS)为电路仿真软件，可以执行被动三维结构电磁场与主动电路的无缝协同仿真，包含了纯时域电磁/电路同步协同仿真(truetransientco-simulation)及典型的频域电磁/电路非同步协同仿真，可整合及分析不同仿真及量测资料。CSTEMSTUDIO

(CSTEMS)为一静场及低频的电磁仿真软件，包含了不同的演算法，典型的应用包括了马达，感应器，制动器，变压器等。CSTPARTICLESTUDIO

(CSTPS)带电粒子与电磁场相互作用通用电动力学效应仿真软件,主要应用于电真空器件、高功率微波管、粒子加速器、聚焦线圈、磁束缚、等离子体等自由带电粒子与电磁场自洽相互作用下相对论及非相对论运动的仿真分析。CSTMPHYSICSSTUDIO

(CSTMPS)为一功能强大但容易使用的热传及结构应力仿真软件。CSTMPS与CSTSTUDIOSUITE完全的整合，可以与其他的STUDIO进行电磁所衍生的相关多重物理仿真。CSTPCBSTUDIO

(CSTPCBS)专业板级电磁兼容仿真软件,可以对含有各种器件的印制板及周边环境进行SI/PI/眼图/谐振/SI规则/EMC规则分析,解决PCB板瞬态和稳态辐照和辐射双向问题。1.1.2CSTMWS软件简介CST（ComputerSimulationTechnology）软件是全球最大电磁场仿真软件公司CST推出的面向三维电磁、电路、温度和结构应力仿真软件。CST软件包括CST设计环境、CST印制板工作室、CST电缆工作室、CST规则检查、CST微波工作室、CST电磁工作室、CST粒子工作室、CST设计工作室、CST多物理层。CSTMWS软件是CST公司推出的CST工作室套装软件之一，适用于三维高频无源结构的设计仿真。CSTMWS软件总共有12种电磁算法，其中10种为精确全波算法和2种高频渐进算法，包括时域有限积分法、频域有限积分法、频域有限元法、矩量法等经典算法，集时域算法和频域算法与一体。CSTMWS软件的主要应用于EMC/EMI、高速互连SI、RCS隐身/频选、LTCC平面器件、核磁共振、微波/光学无源器件等问题处理。CSTMWS软件支持二维和三维格式的导入，支持PBA六面体网格、四面体网格和表面三角网格，内嵌EMC国际标准，通过FCC认可的SAR计算。本文将采用CST微波工作室（CSTMicrowaveStudio,CSTMWS）软件进行设计仿真。1.2频率选择表面的设计步骤在设计FSS的步骤过程中，首先应该明确FSS的应用场景，然后根据其特定需求来定制合理的设计方案，这将是一个综合考虑各种因素的过程。所以需要在设计过程中了解清楚各个参数对FSS滤波特性造成的影响，然后有参考性的选取设计参数，这将有助于设计岀一个高性能的FSS,在一般情况下，完整的FSS设计过程包含如下几个步骤：1. 由于不同的单元具有其特殊的性质，首先我们要根据需求选择合理的阵列单元，然后在某些比较复杂的情况下，按需要设计出合适的组合型单元。同时也要合理的设置阵列单元的大小，单元的间距以及单元的排列方式等参数，以此获得比较理想的谐振点以及工作频带。2. 然后根据所设计出单元的频率响应结果和设计要求，来确定FSS的层数，采用多层级联的方式可以更加灵活有效的设计出高质量的FSS,但我们需要注意的是，随着层数的增多将会导致结构变厚，电磁波穿透FSS所产生的损耗也会增加。1. 选择比较合适的仿真软件进行仿真，例如CST、HFSS等计算机仿真软件。根据仿真结果来确定FSS的频率响应结果，我们重点需要注意的是其工作带宽、损耗、角度的稳定性以及极化方向的稳定性。2. 反复多次调整FSS的各个参数，从而使设计出的FSS模型能够满足设计需求。5. 加工设计出的频率选择表面，同时需要选择合适的测试方案用于检测其现实表现结果，并将测试数据和仿真结果进行比对，如果结果相差过大，则需要进行检查和实验分析，从而不断完善设计结果和测试手段，最终得到符合要求的结构。1.2CST软件对频率选择表面仿真1. 仿真模块选择：对于频率选择表面，CST仿真软件具有时域有限积分法(MWS-T)和频域有限元法(MWS-F)两种仿真手段，前者主要用于非周期性的FSS结构仿真，后者则主要用于周期性的FSS结构仿真，两者的仿真效率和精度都非常的高，这两者几乎覆盖了全部的FSS仿真应用。2. 单元模型建模：该过程主要是建立结构单元模型，CST仿真软件提供内置三维建模系统。建模过程中只需要构建出阵列的单元即可，CST仿真软件会自动将该单元模型在X轴和Y轴两个方向上进行周期延拓，最终得到一个无穷大的二维周期结构。1. 模型材质选择：对于建模好的结构，需要对其赋予材质。CST仿真软件提供了丰富的材料库，对于FSS的金属部分，一般选择比较理想的金属材料，这样在保证仿真结果方面具有很强的参考作用的同时，也极大加快了仿真的速度。对于加载介质的材料，也可以从CST仿真软件的材料库中直接选取满足条件的材料，而且CST仿真软件也提供了很方便的材料特性自定义功能，同时可以对材料的许多特性进行灵活设置，如介电常数的设置，损耗正切值的设置，导电率的设置，中心频率的设置等。2. 边界条件：CST仿真软件对频率选择表面进行仿真时，其透射系数和反射系数会通过Floquet模式进行计算，这就要求评估出栅瓣对响应效果的影响。对于FSS来说，当入射波发生变化时，将会出现栅瓣现象，出现的最低频率可以先通过公式2-16计算得出。如果栅瓣出现在仿真频率之内，我们为了得到更加准确的透射结果和反射结果，CSTMWS需要将Floquet端口模式设置足够多的模式数量。一般情况下，如果仿真频率内没有产生栅瓣，Floquet模式数设置为2,若仿真频段内出现栅瓣，则需要将Floquet模式参数设置的更高。5. 入射方向：CST仿真软件可以设置电磁波，将以不同的角度入射到FSS,它能够很方便的验证出FSS的角度稳定性。6, 设置阵列单元的排布方式：合理的设置FSS阵列单元的排布方式，将能够提高FSS的响应特性，以此来避免栅瓣的出现。7, 参数值设置：建立好FSS仿真模型后，模型将会拥有固定的初始参数值。但是通常的情况下，我们需要对各个参数的不同数值及其组合进行多次优化仿真，CST仿真软件为快速实现这些要求提供了参数扫描功能。在CST仿真软件中可以设置各个参数的数值范围以及数值间隔，设置好参数后CST仿真软件将会自动进行组合，然后进行仿真计算，这能够有效地提高仿真效率。8, 查看结果：完成仿真之后，在CST仿真软件中可以方便的查看仿真结果等。1.3设计周期单元制作1.创建工程文件，并选择模板2.点击Newtemplate，创建一个新模板1.点击MICROWAVES&RF/OPTICAL中的PeriodicStructures，选择模板（微波&射频&光学），并选择周期结构。2.点击FSS,Metamaterial–UnitCell，选择频率选择表面单元5.点击PhaseReflectionDiagram选择相位反射图6.点击FrequencyDomain，选择频域求解器7.设置频率范围4-10GHz至此做完准备工作，开始周期单元设计：8.在modeling-brick中选择介质基板长宽设为14，高度0.5材料选择为FR-4（lossy）。9.设计贴片，环形周期单元，外圆半径为6mm，内圆半径为5.5mm，高度为0.035，材料为PEC材质。10.周期单元成品11.实验结果分析周期单元的谐振频率为6.8GHz，形成一个窄带频率选择表面。第2章实验仿真及分析2.1单元的结构频率选择表面的频率响应特性与频率选择表面的结构单元种类有很大的关系，不同的单元种类将会有着不同的谐振特性。所以在工程应用时，不同的频响特性会根据不同类型的单元而获得。每个单元的频响特性都由该单元的物理结构所决定。本章主要探究一个FSS结构单元的各个参数对电磁响应特性的影响规律。本章以双层圆环孔径单元为例Figure1圆环单元对比与其他结构，将会有更好的对称性。当圆环的周长正好等于一个波长时，表示此时圆环达到了谐振状态。如图1所示，圆环单元的结构参数如下:圆环宽d=1.5mm，圆环内环半径r=2.5mm,层间高度h=6mm。整个矩形的边长TX=TY=14mm。金属厚度t=0.018mm。介质的基板厚度为H=0.5mm,基板的材料为F4B，有效介电常数为4，损耗角正切为losstangenttan()=0.02。2.2仿真方法本文利用全波仿真软件CSTMicrowaveStudio(CST)或HighFrequnceyStructureSimulator（HFSS）的频域求解器方法均可以得到FSS结构所对应的S参数和吸波率。仿真软件计算的FSS结构是基于谐振法原理。利用CST对FSS结构进行特性分析，具体方法如下。在软件CST的频域求解器中，金属一般会被默认为最佳理想导体（PEC），而且支持unitcell边界条件。一开始在仿真软件CST中建立FSS结构所对应的三维模型，如图1所示，并在此三维模型结构上建立一个空气盒子。接下来，在仿真软件中对3D模型的各个方向进行设置，如图2所示。在该结构中，电磁波是从-Z方向中入射进来，其外部的边界条件设为open(addspace)。X的方向和Y的方向都设置为unitcell边界条件，其目的是将模拟单元结构的周期级联。同时在Z的方向还需要设置一个扩展区域，扩展区域的距离3D模型的距离一般要大于波长的两倍。因为在扩展区域大于两倍波长的基础上，3D模型的距离对S参数和色散曲线的影响是很弱的。图一图二在CST仿真模型中，3D模型和边界条件设置完成之后。需要对该FSS结构的工作频段进行设定。在本文中设定的是5GHz-15GHz的工作范围。经过仿真和数据后处理，频率响应吸波率由S参数计算推导而来，下面本文给出理论分析。2.3理论分析吸波效率的公式为A（w）=1-R（w）-T(w)，其中A（w），R（w），T(w)分别是频率W对应的吸收率，反射率和折射率。显然，高性能的吸收器等同于使R（w），T(w)最小化。利用金属薄膜作为接地层，可以方便、有效地减少T(w)，使其等于0。确保入射功率耦合到吸收器，阻抗匹配到自由空间是一个关键的步骤。为了设计出一个较完美的吸波器，对每个周期单元的参数进行精心的优化，以保证在每个吸收频率下的自由空间阻抗约为1。透射和反射系数的获得是放在3D模型前面和后面的两个波导端口，R（w）=|S11|2，并且T(w)=|S21|2=0。所以吸波效率的计算公式为A（w）=1-R（w）-T(w)=1-|S11|2。2.4仿真结果图三S11图四频率响应特性图通过使用CST仿真软件对设计出的FSS结构进行仿真，我们将得到如图3、图4所显示的仿真结果。通过观察图3的反射曲线参数我们不难看出，该双层结构在5GHz到15GHz频率范围内，一共产生了两个谐振点，而且谐振频率分别是7.9GHz和9.3GHz。然后观察图4所显示的频率响应参数，我们可以看出它的中心频率在9.1GHz附近。-3dB的带宽范围为7.8GHz至10.5GHz，这绝对带宽达到了2.7GHz得要求，符合频率选择表面的基本要求。同时在设计的频率带宽内，系统的S参数曲线也拥有很好的平顶性，在中心频率附近的损耗小于等于-1dB，对-3dB带宽以外的频率也有很好的抑制作用。下面我们将分别对本章结构所显示的电场分布进行具体分析。该电场图也是通过CST软件中的频域模块进行的模拟仿真。图五7.9GHz电场分布图图六7.9GHz电场分布图如上图所示，本章给出的双层结构频率响应特性（FSS）在其两个谐振点处的电场分布图。首先我们分析在较小谐振频点出的电场分布图：图五可以清楚地看出在该频点时，电场能量主要是集中分布在圆环的附近，可知其等效的电容发挥这非常强大的作用。不仅如此，我们可以看到在上层结构和下层结构上都存在着非常多的电场量，所以上下两层结构之间的耦合电容值也会随之发生改变。接下来我们来分析图六的结果。该图是FSS结构在较高的谐振频率出的电场分布图。与图五相比较，我们可以明显看出上层圆环处的电场能量比下层圆环处的电场能量减少了很多，但是下层结构对应的电场能量却有所增强。对于这种现象，我们觉得原因是因为金属贴片的电感属性有所增强。所以对于比较的高的谐振频点，圆环空间产生的电感是由上下层结构中产生的电容所决定的。在此频点上，等效回路的电感值将会有明显增加。2.5探究圆环结构参数改变对FSS电磁响应的影响不可否认的是，电磁响应是由其物理结构所决定的。所以对于一个提出的FSS结构，探究其结构参数的改变对电磁响应的影响是有必要的。本章我们以给出的圆环孔径FSS为例，以三个重要的结构参数：环宽、内环半径，层间高度对该结构电磁响应的影响，并给出具体分析。1、环宽如Figure1所示，:内环半径r=2.5mm,层间高度h=6mm。整个矩形的边长TX=TY=14mm。金属厚度t=0.018mm。介质基板厚度H=0.5mm,基板材料为F4B，有效介电常数4，损耗角正切losstangenttan()=0.02。这些参数固定不动，我们把圆环宽d设为不同的数值以探究对其电磁响应特性的影响。在该节，我们设d=1mm、1.5mm、2mm、2.5mm。图7圆环宽度改变对FSS频率响应的影响规律如图7所示，我们不难看出。随着圆环宽d的逐渐增加，结构吸波率的中心频率变得越来越小。并且在d=1时，在频率响应曲线的两个谐振频点直接，有一个非常明显的“山谷”，但是随着d的值逐渐增大，这个“山谷”慢慢向左移动且逐渐变缓。同时，随着d的值越来越大，透过率在80%处的工作带宽也随之变宽。在d=1的条件下，超过80%的工作带宽有2.7GHz，而在d=2.5的条件下，超过80%的工作带宽有2.2GHz。由此可见，改变圆环孔径FSS的圆环宽对工作频带的宽度有非常大的影响，这对于实现其他方向的宽带窄带FSS有这较好的研究意义。从理论方面来说，我们把d设置的越来越大。在物理层面看，实际是扩大的圆环的孔径面积，从而提升辐射场的能量，间接的加强感应电磁场的通过。结构是仿真出的反射系数值会衰减，对应的透过率值即频率响应特性提高。2.内环半径如Figure1所示，:d=1mm