频率选择表面-隐身技术的相关研究

I目录1绪论11.1课题研究的背景和意义11.2本课题的研究热点及发展现状11.3国内外已有研究现状21.3.1118GHzFSS31.3.2圆环FSS41.3.3小型化频率选择表面52研究内容72.1设计原理72.2基本的偶极子的频选择表面82.2.1谐振偶极子82.2.2其余形式的频率选择表面（FSS）的表面金属单元形状92.3FSS结构的重要参数102.4仿真软件介绍103RFSS113.1RFSS模型建立113.2仿真结果的分析和讨论153.3小结214可重构Rasorber214.1上层分析224.2底层分析254.3Rasorber分析285结论和展望34参考文献35致谢1绪论频率选择表面(FSS)是一种周期性的结构作用于产生带通或者带阻频率响应，用于过滤，阻挡射频、微波或任何电磁波频率。它的周期性阵列结构是由大量无源谐振单元组成的单屏或者多屏的一种结构,其结构构成是由孔径单元或金属贴片单元组成,上周表面在金属薄片上进行了周期性排列;此型表面可以呈现全反射（贴片型）或全传输特性（孔径型）在接近单元谐振频率附近。《基于人工超表面的新型电磁器件的设计及研究》人们通常称它为“空间滤波器”。在此本文主要针对贴片型表面进行了研究和分析。具体有带通和带阻型FSS，FSS应用于各大领域，其用途十分广泛，例如：反射面天线上的负反射器（FSS在其中用来实现频率复用,天线的利用率得到充分提高)；波极化器、分波束仪和激光器的“腔体镜”，提高激光器的泵浦功率；还可用于隐身技术，如雷达天线罩以降低天线系统的雷达截面(RCS）。《基于人工超表面的新型电磁器件的设计及研究》频率选择表面-HFSS报告1.1课题研究的背景和意义随着科学技术的发展,雷达探测技术越来越先进,隐身设计难度越来越高,传统的频率选择表面已经无法满足现在隐身技术的需求；随着空间电磁环境的日益复杂以及实际工程应用的多样需求，具有多功能特性的频率选择表面（FSS）以及频率选择表面与天线相结合从而提升天线性能的研究具有十分重要的现实意义。<小型化可重构频率选择表面研究》<小型化可重构频率选择表面研究》1.2本课题研究的热点及发展现状自上世纪六十年代起，美国和英国分别成立了关于FSS的研究组，如美国俄亥俄州立大学的教授领导的研究组，在1974年，建立了第一个锥形金属雷达罩的实验室模型。80年代末，美国伊利诺斯大学研究组在理论建模和数值分析方法等方面都取得了很多成果。21世纪后，设计多频段FSS的主要研究思路来源于分形单元FSS的研究。全局优化算法和遗传算法等在电磁等领域的成功应用，解决了多参数FSS优化复杂的硬件设计问题。可重构电磁表面是系统中对空间波进行调控的主体，其结构为周期或准周期排布的表面单元组成的阵列。《智能超表面技术展望与思考》“可重构”一词源于计算机领域，其本意是指通过电子器件控制计算电路，在不改变电路结构的前提下实现多种可控的功能，物理学家将这一概念引入超表面领域，用可重构超表面描述具有多种可调性能的超表面；区别于早期的性能固定超表面，可重构超表面的性能可以灵活调节，这立刻吸引了众人的广泛关注。《可重构电磁超表面及其应用研究进展》极化是雷达通信、雷达目标识别、光通信和卫星通信系统中一个重要的物理属性.目前,设计任意调控极化功能的电磁器件成为电磁领域的一个热点课题,传统方法是利用自然材料的双折射效应,通过增大厚度来实现相位的累积,但会导致器件的体积过大,难以小型化。《黄晓俊1)高焕焕1)何嘉豪1)栾苏珍1)杨河林2)》《智能超表面技术展望与思考》《可重构电磁超表面及其应用研究进展》《黄晓俊1)高焕焕1)何嘉豪1)栾苏珍1)杨河林2)》《动态可调谐的频域多功能可重构极化转换超表面》现有可重构频率选择表面主要通过两个方面来实现。首先从频选表面基本概念和工作机理开始。通过改变表面单元尺寸，单元间距，介质层数，介质材料，介质厚度，极化、入射特性等方面来对性能进行研究。特别是最近的几十年，伴随着计算机技术的高速发展，难以建立精确的模型的技术问题得以改善。还有仿真时数据太过庞大，仿真速度慢，计算的困难程度都得以充分改良。频率选择表面的研究硬性问题被逐渐有效地克服。以上进步使得对FSS表面的严谨的精确数值分析越来越顺利，随之而来的，电路印刷的技术飞速发展使得FSS单元制作变得更加便捷，使FSS的实验，实际单元性能检测更加的顺利和高效。1.3国内外已有研究现状FSS单元的形式十分多样，针对各种应用需求设计不同的形状。常见的形状有四种类型，下图1为方形环孔径单元的FSS单元的示意图，可以采用如下两种布阵方式：如等腰三角形栅格还有正方形栅格，《频率选择表面FSS技术研究》《频率选择表面FSS技术研究》《紧凑的频率选择性表面阵列的谐振特性研究》图1.1方形环孔径FSS阵1.3.1118GHzFSS例如一种118GHz频率选择表面，图1.2为该FSS的模型尺寸和形状，线宽：0.17mm;周期长度：1.7mm；结构片厚度：0.37mm;垫片厚度：0.31mm;该结构为一种三层频率选择表面，金属材料选择铜，同时在其表面镀金，布阵方式为三角形栅格排列《频率选择表面的仿真、加工与测试研究》（b）图1.2118GHzFSS模型：（a）谐振单元；（b）排列方式入射波为TE波时，对结构进行TE极化扫参，图1.3为S11的S参数图（a）（b）图1.3入射波为TE波时118GHz的仿真图：(a)50~125GHz;(b)115~125GHz当为TE波极化时，该结构FSS的谐振频率为118.2GHz，频响特性曲线如图1.3，可知它的插入损耗为-0.0279dB，89GHz处的插入损耗为-13.6dB，对于插入损耗值大于-0.1dB的带宽为5.603GHz。1.3.2圆环FSS图1.4为该圆环FSS的结构模型和参数。（b）图1.4圆环FSS的结构模型和参数：（a）模型；（b）参数对其反射系数和透射系数进行仿真分析，图1.5为仿真结果图。图1.5S参数T/R谐振频率在4GHz左右，展现带通特性。1.3.3小型化频率选择表面与传统的FSS不同的是，小型化频率选择表面MEFSS成为了现如今一个热点研究方向。其优点有：单元尺寸小，极化不敏感，角稳定，对栅瓣有延迟特性。由于其尺寸很小，让单元的谐振频率不受限于单元尺寸。十字卷曲单元模型如图1.6所示，深灰色是铜制金属贴片，浅灰色是介质基底（F4B-2)，厚度为1mm,金属贴片厚度为0.018mm三种单元的周期均设为ｐ＝11.2mm。金属线的厚度设置为0.5mm。图1.6不同形式的十字卷曲单元对其进行扫参得出S21传输系数图，如图1.7，可知，图1.6（c）所示结构优势在于：谐振频率变小，随之工作波长变大。角稳定性更强，可以承受更大角度的入射角度，而性能稳定。综上所述，卷曲是一种减小单元尺寸从而提高FSS传输特性的重要手段。图1.7图1.6中不同十字卷曲FSS的传输系数2研究内容2.1设计原理FSS是一种二维周期排列的金属贴片单元或槽孔单元构成的结构，类似是一个空间滤波器，与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性，在单元谐振频率附近呈现全反射/传输特性，其本身并不具备能够吸收能量的能力，但是却能起到滤波的作用。FSS具有特定的频率选择作用被广泛地应用于微波，红外至可见光波段；通常有两种形式，第一种是贴片型也叫介质类型，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，一般而言是作为带阻型滤波器（高频反射，低频透射）；另一种是孔径型也叫开槽型，是在很大的金属板上周期性地开金属单元的槽孔，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，从频率特性上分析，是带通型频率选择表面（低频反射，高频透射）。《左手材料理论及应用研究》频率选择表面在整个电磁频谱都涉及十分广泛的应用，从可见光频谱范围直到微波频谱范围都是研究热点。在微波波段被应用于频率复用反射面天线来提高天线反射面的效率。频率选择表面（FSS）主要应用于：（1）雷达罩：通过安装频率选择表面减少雷达散射截面积；（2）卡塞格伦天线副反射面：实现波束的复用与分离；（3）准光滤波器：实现波束的复用与分离；（4）吸波材料：基于高损耗的介质，可以实现大带宽的吸波材料；（5）极化扭转：折线形的频率选择表面是一个线极化转化为圆极化的极化扭转器；（6）天线主面：降低带外噪声。《频率选择表面(学习笔记)-百度文库》频选表面的频率选择特性主要方面取决于写真单元的形式，单元的排布方式以及周围介质的电性能。FSS的基本结构一般为，上下两层介质基底，中间层为金属薄片如图2.1所示：介质基底介质基底图2.1常规FSS结构模型由于结构非常复杂，参数庞大，FSS的理论分析和设计非常困难；近年来已发展的一些计算方法，例如，时域有限差分（FDTD）、有限元（FEM）以及积分方程（IE）方法等由于计算内存占用量大、计算量大，导致了计算效率非常低；FSS在入射波作用下所表现出来的物理现象可以通过传输线理论近似，由等效电路的原理推导，为其赋予不同的极化、入射角度将FSS单元用对应的电路元件来等效，从而对FSS进行快速有效的数据分析，形状简单的表面单元，其等效电路参数极易确定，而且电路分析结果与实际工程电磁分析结果吻合高度一致；而结构复杂的表面单元，由于等效电路及其参数极难获取在实际运用中十分受限。《应用等效电路模型的频率选择表面有效分析-豆丁网》2.2基本的偶极子的频率选择表面2.2.1谐振偶极子FSS的单元形式多种多样，因不同的应用要求而有差异。频率选择表面（FSS）有两类常见的基本形式：1.导线阵列；2.缝隙阵列。偶极子阵偶极子阵 入射波入射波图2.2谐振偶极子如上图2.2所示的谐振偶极子，其阵列为带阻滤波器；所谓带阻滤波器就是不能通过偶极子谐振频率的波，但可以通过高于和低于该谐振频率的波。《频选雷达罩电性能的基本问题及解决方法》如图2.3所示，可以用作带通滤波器。带通滤波器可以用于通过频率在缝隙谐振频率的波，但无法通过高于和低于缝隙谐振频率的波。缝隙阵缝隙阵图2.3带通滤波器的一种2.2.2其余形式的频率选择表面（FSS）的表面金属单元形状FSS的表面单元形状十分多样，但其形状最开始都是由最基本的直偶极子单元发展而成的。而直偶极子表面单元分为以下四类：“N-极子”单元，例如偶极子，三极子和耶路撒冷十字（本文对耶路撒冷十字也做出了详细研究）；环形单元，例如六角型环，矩形环和圆环等（环单元是制造高质量高效率的斜入射频率选择性表面（FSS）的主要首选形式；不同形状的金属贴片单元。《不可展频率选择表面的加工方法研究》以上各种图形的组合单元形状。(b)(c)(d)图2.4常用谐振单元通常情况下，规则的频率选择性表面（FSS）图形有利于电磁(HFSS）模型的建立，例如环形，圆形，矩形单元等。但是有些更复杂的图形反而能够提供更优秀的性能，它们并不能归结为上述四类的单元形状类型。《频率选择表面及其在隐身技术中的应用》《频率选择表面及其在隐身技术中的应用》在频率选择性表面（FSS）的工程设计中有一项必须强调的关键点，无论是贴片型亦或者孔径型FSS，在实际模型建立时都必须要有衬底支撑，介质衬底的性质对频率选择性表面（FSS）频选特性有着非常大的影响。一种可以中间设计空气波导，上下两层的介质衬底，金属表面贴片印刷在两层的介质衬底的上下表面，这种就是多层的介质衬底。还有一种单层的介质衬底，中间一层介质衬底，金属表面贴片直接印刷在介质衬底的上下表面。这种单层以及多层的介质衬底可以改善FSS的频选特性，所以在实际的工程设计中介质效应是不得不必须被考虑的一项重要因素。一个性能良好的FSS天线罩应该拥有精确的谐振频率，足够应对应用带宽的谐振带宽，通带内高传输效率、频段中除通带内敏捷的频率选择特性,并且应具有极化不敏感和角稳定特性,即满足雷达在宽扫描角范围内对瞄准精度、旁瓣电平系数以及方向图畸变等性能的要求;通带内的高效传输和频段内通带外的频率选择特性让天线罩具有了频率选择特性,FSS天线罩相当于在普通天线罩上加载了FSS阵列,普通天线罩的设计工作可等同射频传输线的设计,设计目标是阻抗匹配和减小衰减;FSS天线罩的设计工作相当于为传输线级联了一个带通滤波器,设计时除阻抗匹配和衰减减小外,还需考虑表面的谐振特性。鲁戈舞，张剑，杨洁颖，张天翔，寇元：频率选择表面天线罩研究现状与发展趋势，物理学报，Vol,62,No.19(2013)2.3FSS结构的重要参数带宽：在所需求的频带内呈现的阻带或通带特性的频段长度，其测量值可通过测量FSS结构随入射波角度和频率变化的传输和反射特性得到；插入损耗：FSS结构在相应频带内的损耗；极化；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/阻带特性产生重要的影响。《基于频率选择表面结构的太赫兹吸波器的研究与设计》2.4仿真软件介绍AnsoftHFSS：电磁场设计和分析的工业软件，为用户提供了一个简洁直观的设计界面，精确自适应的求解器、电性能分析功能空前强大的后处理器；能够设计非常复杂的天线，具备强大的天线设计的功能，绘制方向图，极化特性，还可以计算S参数，归一化S参数。《具有陷波特性的超宽带天线研究》OriginLabOrigin：一款功能强大的科学绘图，数据分析软件。可以将HFSS中仿真得到的S参数图导出数据，并重新绘制，形成清楚、简洁的图像。3RFSS3.1RFSS模型建立当电磁波传播到频率选择表面上时，在接触到金属贴片时，可能会发生四种工作状态：接收、反射、透过、吸收。当金属贴片的形状和大小不同时，电磁波的工作状态也不同，改变结构在不同谐振频率的带阻和带通特性。一个RFSS可以通过不同的方式实现:电子、磁、机械等，其中，由于成本低、可用性广、响应时间短、电子元件(p-i-n二极管、变容器、MEMS)尺寸紧凑，电子调节的rfss最为常见；但这些主动元件需要额外的偏置网格线来控制它们在RFSS几何形状中，从而使整体安排变得复杂，很少有关于吸收和传输特性之间切换的结构的报道；然而，现有的拓扑结构是多层的，具有复杂偏置电路的极化敏感。偏振不敏感吸收/透射可重构频率选择表面嵌入式偏压本例利用HFSS软件电磁仿真设计一个基于p-i-n二极管的极化不敏感的吸收/透射可重构频率选择表面（RFSS)。这个结构在FR4介质基底的两侧印刷了两个周期性排列的金属（铜）表面图案。其中，p-i-n二极管在底面中心对称的排列。当二极管处于不同的偏置条件下时，该RFSS结构在不同的工作状态下表现为雷达吸收器（正向偏置）和带通滤波器（反向偏置），并且都具有角稳定和极化不敏感特性。RFSS结构示意图如图3.2所示.图3.1RFSS模型仿真模型图如图3.2所示：图3.2周期边界条件和激励设置（由于模型完全中心对称，这里激励可以选择单波段激励TE/TM）频率选择表面的基本单元结构位于整个模型的最中间，外部由一个比介质基底厚度多很多的空气腔体包裹住基本单元结构。顶部由一个耶路撒冷十字构成，其中外层与相邻单元相连接，底面则由方形槽拓扑组成，四个p-i-n二极管中心对称的连接在拓扑槽上。同时在它的几何结构中心还有一个金属偏置网络，其结构由一个金属通孔组成的嵌入式偏置网络构成，用以远程操作调节二极管的工作状态，让每个二极管的阳极和阴极分别对应得连接到结构的底部表面和顶部表面。顶部表面的间隙中心对称地安置了四个集总电感，用以作为RF扼流圈。在正向偏置下（ON）二极管表现为小电阻RON=1Ω和级联寄生小电感LON=0.7nH,在反向偏置下（OFF)二极管表现为并联的大电阻ROFF=1MΩ和电容COFF=0.21pF。集总电感值为1.25nH。在正向偏置状态下，有强电流，反向偏置状态下不存在该强电流。在反向偏置期间，底层表面电流仅在该层中完成环路的形成，不需要与顶层耦合，偏置电路被限制在单层。相反，在正向偏置下，底层存在单向电流流动，金属通孔通过连接几何结构中的顶部和底部表面来完成电流环路，整个电路可用于二极管偏压。详细上下表面结构图，如下图图3.3所示。kaaapwxkaaapwxviavia(b)图3.3RFSS顶面和下层FSS图形:(a)顶面；（b)下层该RFSS结构的设计参数确定如下：FR4介质衬底（εr=4.4,tanδ=0.02）厚度为1.6mm,a=10mm,w=0.2mm,x=0.6mm,p=0.5mm,k=1.2mm。创建工程运行HFSS，创建新的工程，在左侧工程文件列表中创建一个新项目，命名为RFSS，同时建立3D模型窗口。设置求解类型在菜单点击HFSS→SolutionType,在弹出的对话框内选择DrivenModel选项。创建模型1）绘制介质基底在工具栏中点击按钮，绘制一个长方体，x:10,y:10,z:1.6。选择结构材料AddMaterials为FR4。2）绘制RFSS单元按照已定参数，如图3.2（a），在介质基底上层绘制Top面金属图案。设置边界条件(AssignBoundary)为PerfectE。在工具栏中点击按钮，绘制一个长方形，x:0.4,y:1,设置边界条件(AssignBoundary),点击LumpedRLC选项,设置Inductance:1.25nH。如图3.4所示，反复操作四次，按照图3.2（a）绘制，形成顶部集总电感。按照已定参数，如图3.2（b)所示，设置边界条件(AssignBoundary)为PerfectE。形成Bottom底部方形槽拓扑。p-i-n二极管绘制：设置边界条件(AssignBoundary),点击LumpedRLC选项,其中一个设置为Resistance=1ohm（正向偏置ON态下）/Resistance=1megohm，Capacitance=0.21pF(反向偏置OFF态下），另一个无论是正向偏置还是反向偏置都设置为0.7nH的寄生小电感。3）绘制空气腔体：在工具栏中点击按钮，绘制一个长方体，x:10,y:10,z:15。选择结构材料AddMaterials为vacuum。4.设置主从边界主从边界的设置可以使所绘制的FSS单元在边界上呈现周期性重复分布。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有相同的振幅和方向即可。《频率选择表面hfss报告-豆丁网》《频率选择表面hfss报告-豆丁网》单击右键，选择SelectFaces。点击垂直于XOY的任意一个面，点击右键下拉菜单，选择AssignBoundary→Coupled→Primary。Name不做更改，默认为Master1。下拉菜单选择NewVector,然后沿介质块在该面上的一条边画一条积分线。旋转模型，选择另一个面，点击右键下拉菜单，选择AssignBoundary→Coupled→Secondary。第二对主从边界同理。5.设置端口激励Floquet。选取空气腔体的上表面单击右键，在下拉菜单中选择AssighExcitation→FloquetPort。在弹出窗口选择NewVector,沿着面上一条边做一条积分线，做好后旁边自动标记字母a。底面同理。6.求解设置。在菜单中点击HFSS→Analysis→ADDSolutionSetup。如图3.5所示。点击Ok,确定。图3.4集总电感图3.5扫参范围中心频率设置错误修改建模过程中，FSS元件与空气腔体表面有接触，导致出现FSS边界条件（金属）与周期边界条件重叠的错误，这里我采用了增大空气腔体的体积的方法来解决，长宽各增加了0.01mm。再次运行，结果顺利生成。3.2仿真结果的分析和讨论生成S参数图，右键单击Results,选择CreatModalSolutionDataReport，在下拉菜单中选择RectangularPlot。生成结果图：On状态下RFSS结构的S参数仿真如图3.6。图3.6RFSS(on)S11Off状态下RFSS结构的散射参数仿真如图3.7.图3.7RFSS(on)S11如上图3.6，图3.7分别表现出p-i-n二极管ON和OFF两种状态的工作效率。当二极管正向偏置时，二极管提供小电阻，模拟地面作为地平面。由于顶层在特定频率共振，反射系数和透射系数均达到最小，导致结构在7.8GHz处出现窄带吸收。几何结构不产生等效电容，在ON状态下获得完美反射。相反，二极管在反向偏置下产生电容，并在OFF状态下在5.43GHz获得带通滤波器响应，反射响应最小，传输响应最大。组合的RFSS显示出所需要的可切换的EM特殊性质。对TE极化下，在不同极化角度而入射角度相同时的散射参数进行研究，(a)(b)(c)(d)图3.8不同极化角度S参数:(a)0°(on);(b):30°(on);(c)0°(off);(d):30°(off)从上述图组3.8中不难看出，在所研究的不同极化角度下，所设计的RFSS结构不论是p-i-n二极管正向偏置还是反向偏置状态下，偏置网络均对不同极化角度都显示出类似的响应，可以得出，该RFSS结构是一个极化不敏感的结构。对横向电极化（TE）在不同入射角度下的几何形状进行了研究如图3.9所示。（a)（b）(c)图3.9ON状态下不同入射角度S参数：（a)0°;（b）30°;（c)60°(a)(b)(c)图3.10OFF状态下不同入射角度S参数：（a)0°;（b）30°;(c)60°如图3.9所示，当TE极化时，在正向偏置状态下观察到有额外的共振，在入射角越高时，这种共振现象越明显。通过这一表征，可以看出，当斜入射时，通过金属孔道的波，在结构中的互感的作用一直在不断地叠加。为了改善这一错误，我们可以通过设计一个不是要金属通孔的偏置电路，用以降低这种错误的效应。但更稳定的性能的副作用带来了更加复杂的结构。3.3小结本章介绍了一种采用了p-i-n二极管的可切换RFSS结构的设计过程，该结构具有角稳定性，最高可以达到60°的入射角。并且具有优秀的极化不敏感特性，在不同的极化角度都呈现出良好的性能。4可重构Rasorber为了降低雷达和天线系统的RCS，反射带吸波器和透射带吸波器的要求是同等重要的。随着这种需求日益增加，可切换的T/R吸波器随之产生。由RFSS的二极管偏置状态控制的特性，设计出一种可重构的吸波器。由上下两层介质基底构成，在介质基底的上下两面印刷金属单元图案，两层介质基底中间由空气间隔器间隔开。顶层单元图案采用了传统的众所周知的方形环路FSS,在顶层中对称地安装了集总电阻以进行阻抗匹配。底层金属图案由三个平行的栅格印刷构成。可以通过控制二极管的开关状态，将带通特性转换为反射器。结构示意图如图4.1所示。图4.1Rasorber结构仿真模型图如图4.2所示：图4.2边界条件和激励4.1上层FSS分析一开始顶层设计成一个独立的CAA结构，在其中，与完整吸波器结构不同的是，一个完整的金属薄片被认为是地面。该金属薄片存在于空气腔体和下层介质基底之间。在地平面和上层之间存在一个8毫米厚的空气间隔层，如图4.3所示。当入射波接触到上层FSS时，由于集总电阻，波在3.88~10GHz之间发生宽带吸收。g1W11apth空气间隔层金属薄片g1W11apth空气间隔层金属薄片图4.3顶层CAA结构上层结构设定参数如下：p=20mm,a=12mm,t=0.8mm,h=8mm,w1=0.8mm,g1=0.9mm1.创建模型·绘制空气间隔层：在工具栏中点击按钮，x:20,y:20,z:8。选择结构材料AddMaterials中选择vacuum。·绘制介质基底：在工具栏中点击按钮，绘制一个长方体，x:20,y:20,z:0.8。选择结构材料AddMaterials中选择FR4（εr=4.4,tanδ=0.02）。·绘制金属图案：按照图4.3所示上层表面图形和参数，在介质基底上表面绘制金属贴片，设置边界条件(AssignBoundary)为PerfectE.·绘制集总电阻：在工具栏中点击按钮，绘制一个长方形，x:0.9,y:0.8。右键单击，在下拉菜单中选择AssignBoundary-LumpedRLC。将Resistance设置为150ohm（最佳）。设置界面如图4.4。将该电阻复制粘贴三次，依次绕z轴旋转90°，180°，270°。图4.4·绘制空气腔体：在工具栏中点击按钮，绘制一个长方体，x:20,y:20,z:40。选择结构材料AddMaterials中选择vacuum。2.设置主从边界点击垂直于XOY的任意一个面，点击右键下拉菜单，选择AssignBoundary→Coupled→Primary。Name不做更改，默认为Master1。UVector后下拉菜单选择NewVector,然后沿介质块在该面上的一条边画一条积分线。旋转模型，选择另一个面，点击右键下拉菜单，选择AssignBoundary→Coupled→Secondary。第二对主从边界同理。3.设置端口激励Floquet。（1）选取空气腔体的上表面单击右键，在下拉菜单中选择AssighExcitation→FloquetPort。（2）在弹出窗口选择NewVector,沿着面上一条边做一条积分线，做好后旁边自动标记字母a。底面同理。4.求解设置。设置求解频率在菜单中点击HFSS→Analysis→ADDSolutionSetup。如图2-2-1-5所示。点击Ok,确定。求解该工程，右键Sweep，下拉菜单单击Analyze。仿真结果的分析和讨论为了得出最佳性能的集总电阻阻值，对不同电阻值下的S11进行了仿真分析。(a)（b)图4.5对CAA的S参数图:（a)R=125Ω；(b)R=150Ω由不同电阻值的散射参数图4.5可知，当使用周期边界条件单独对CAA结构（顶面金属贴片+介质基底+空气腔体+金属薄片）进行仿真分析时，该结构对频带范围在3.4-11.2GHz的反射系数低于-10dB，如图4.3所示。由于该结构的底部完全由金属薄片构成，所以没有S21传输系数，从而在相同的频率范围内得到了宽带吸收。在5GHz和9.6GHz这两个频率上，ZFSS和Zd互相抵消，从而得到了双谷低反射率特性。从上述实验可以得出，电阻方形传统回路和全接地相结合可以实现理想的CAA结构，当集总电阻值为150Ω时，获得最佳的反射率降低（上图4.5(b)所示）。4.2底层FSS分析底层由三个平行栅格（平行于电场方向）构成，其中中间的栅格中连接了一个二极管，当该p-i-n二极管处于正向偏置状态时，存在小电阻R(on)=1.6Ω。当该p-i-n二极管处于反向偏置状态时，存在大电容C（off)=0.1pF。并且在以上两种工作状态下，都存在小寄生电感L（pin)=1.15nH。这种平行栅格设计是有一定原理的精心设计的，因此在单元中不存在固有电容，电场方向平行于栅格，因为所有栅格单元都与相邻的单元格相连接。当p-i-n二极管处于正向偏置状态时，由于电路中没有电容无法共振，该结构将作为一个完美的反射器。当p-i-n二极管处于反向偏置状态时，将作为一个电容。结构如图4.6所示。pW2w1g2ppW2w1g2p图4.6底层FSS底层结构设定参数如下：p=20mm,w1=0.8mm,g2=1.7mm,w2=4mm1.创建模型·绘制介质基底：在工具栏中点击按钮，绘制一个长方体，x:20,y:20,z:0.8。选择结构材料AddMaterials中选择FR4（εr=4.4,tanδ=0.02）。·绘制底部金属图案：按照图4.6所示结构和参数，绘制底部图案，设置边界条件(AssignBoundary)为PerfectE。·绘制二极管：绘制两个长方形，设置将Resistance设置为1.5ohm。（正向偏置时）/Capacitance=0.1pF(反向偏置时），另一设置为Inductance=1.1nH寄生小电感。设置主从边界·点击垂直于XOY的任意一个面，点击右键下拉菜单，选择AssignBoundary→Coupled→Primary。Name不做更改，默认为Master1。UVector后下拉菜单选择NewVector,然后沿介质块在该面上的一条边画一条积分线。·旋转模型，选择另一个面，点击右键下拉菜单，选择AssignBoundary→Coupled→Secondary。·第二对主从边界同理。3.设置端口激励Floquet·选取空气腔体的上表面单击右键，在下拉菜单中选择AssighExcitation→FloquetPort。·在弹出窗口选择NewVector,沿着面上一条边做一条积分线，做好后旁边自动标记字母a。底面同理。4.求解设置设置求解频率：在菜单中点击HFSS→Analysis→ADDSolutionSetup。点击Ok,确定。求解该工程，右键Sweep，下拉菜单单击Analyze。5.仿真结果的分析和讨论对底部FSS在p-i-n二极管各种偏置状态下的性能进行仿真分析：图4.7底部FSS（OFF)S参数如上图4.7所示为底部FSS在p-i-n二极管在反向偏置状态下的反射系数和传输系数。在2.79GHz处观察到插入损耗为0.8dB的窄带传输窗口，同时，它的反射系数也低于-20dB。这个窗口我们称之为主FSS的通带。这个底部FSS结构在整个阻带频率内都表现出高反射和小传输的特性。图4.8底部FSS（ON)S参数如图4.8所示，底部FSS在p-i-n二极管在正向偏置状态下的反射系数和传输系数仿真图。由于电路没有一点电容，所以无法在频段内发生共振，所以它将作为一个完美的反射器。4.3Rasorber分析整体的Rasorber吸波器由上述顶层和底层结构组成（去掉顶层CAA的金属底面）对p-i-n二极管不同偏置状态下的吸波器性能进行仿真分析：图4.9Rasorber(on)上图4.9为二极管在正向偏置状态时吸波器的反射系数和传输系数仿真图，由上述底层FSS分析可知，当二极管处于正向偏置状态时，底面FSS表现为一个接近完美的反射器。相当于一个理想的传统CAA结构。在4.4-11GHz的整个频带内，反射系数S11都远小于-10dB，传输系数S21近乎可以忽略不计。图4.10Rasorber(off)上图4.10为二极管反向偏置时，由图4.7可知，底层此时表现为一个带通滤波器，谐振频率为2.88GHz，此时底面对2.88GHz波段的EM波透明，呈现带通特性。在工作频带外，反射和传输系数同时下降，表现为传统的EM吸波器。在3.4~10GHz呈现宽带吸收。1.为了进一步研究这种吸波器的角稳定特性，我对其在不同的入射角下的传输/反射系数性能进行了分析研究。(a)(b)30°（ON)30°（ON)图4.11Rasorber(on)不同入射角度：(a)10°；(b)20°;(c)30°上图4.11为吸波器在正向偏置状态下，10°到30°之间不同入射角度的性能，不难看出，二极管性能在30°时也相当稳定。可以得知，该吸波器在正向偏置时是具有角稳定性的。10°（OFF)10°（OFF)20°（OFF)20°（OFF)30°（OFF)30°（OFF)图4.12Rasorber(off)不同入射角度：(a)10°；(b)20°;(c)30°如上图4.12所示为二极管偏置状态为反向偏置（off）时的性能仿真图，不难看出，在0度到30度入射角度间变化时，结构反射和透射参数均没有收到很大的影响。综上所述，不论二极管处于正向还是反向偏置时，该吸波器结构都具有较好的角稳定特性。为了进一步研究这种吸波器的极化特性，我对其在不同的极化角度下的传输/反射性能进行了仿真研究。10°(ON)10°(ON)20°(ON)20°(ON)30°（ON)30°（ON)图4.1