【平面电磁波极化选择特性FSS的设计与仿真分析案例8100字】

平面电磁波极化选择特性FSS的设计与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u20737平面电磁波极化选择特性FSS的设计与仿真分析案例 185381极化选择特性FSS的设计与仿真 179871.1设计方案 1322343.2关于仿真的说明 4107981.2.1仿真模型说明 462983.3仿真结果 5200653.3.1极化选择特性结果分析 5230013.3.2电场分布情况分析 6248863.3.3关于仿真结果的数据说明 8320643.4等效电路图 9175202仿真结果分析 11184072.1上层结构与下层结构的特性 11290872.1.1上层结构的极化选择特性 11231822.1.2下层结构的极化选择特性 1397742.2.1单个“工”字型结构 14179112.2.2两个“工”字型结构 17237582.2.3四个“工”字型结构 19315222.2.4五个“工”字型结构 21264452.2.5结论 23159432.3缝隙宽度与长度对极化现象的影响 25215332.3.1缝隙宽度对TE波的影响 25150402.3.3缝隙宽度对TM波的影响 26258762.3.4缝隙长度对TM波的影响 271极化选择特性FSS的设计与仿真1.1设计方案本文按照课题要求设计一种具有极化选择特性的FSS，在长金属线上，周期结构在低于谐振频率的频段内介电常数小于0，反之，在短金属线上，周期结构在高于该频率的频段内介电常数小于0。所以在这个前提之下，可以通过长金属线与短金属线的拼接和调整，就能够使得在所需要的频段内，实现对应的传输通带和阻带，从而实现频率选择表面的极化选择特性。结合上述这些特性，作者所设计的方案是一种双层结构的FSS，上层结构为横向排列的三个“工”字型结构，下层为纵向排列的三个“工”字型结构。上层结构如图3.1（a）所示，下层结构如图3.1（b）所示。（a）上层结构示意图（b）下层结构示意图图3.1结构示意图图3.1为边长a=10mm的正方形结构单元，图中相关参数如下表3.1所示表3.1上层结构参数（图3.1（a））下层结构参数（图3.1（b））L18.8mmL36.5mmL23.2mmL43mmw10.2mmw30.9mmw20.5mmw41mm有了如上的初步设计方案，就需要使用软件来进行建模仿真，从而进一步分析和比较所设计的单元结构的性能。3.2关于仿真的说明1.2.1仿真模型说明为了进行极化选择特性FSS仿真，作者所用到的是HFSS15.0这款仿真软件，按照所制定的设计方案，建立模型并按照所需要求设置相对应的参数。使用仿真软件进行仿真，不仅可以直观地知道所设计的结构单元对电磁波的极化选择效果如何，也可以通过电场分布图，来精确调整结构，以改善结果，得到需要的结果。首先建立单元结构模型，金属贴片要刻蚀在基板上，所以要设置基板参数和选择基板材质，相关的参数如下表所示，本文中不做特别说明，所有基板参数和材质均以下表3.2为准。基板型号RogersRT/duroid5870相对介电常数2.33相对渗透率1导电率0损耗切角正切0.0012厚度0.381mm仿真频带0-20GHz激励方式集口总端天线仿真需要模拟一个空气腔，基板模型确定后就可以设置一个空气腔，空气腔边界到天线的距离≥1/4波长，所以本次设计的空气腔的尺寸为10mm×10mm×40mm。模型分为两层，在基板的上下两面，可以通过旋转视角来方便结构的设置。单元结构模型如图3.2.3所示(a)上层结构图（b）下层结构图图3.2图3.2(a)深色部分为上层结构，图3.2(b)深色部分为下层结构。结构模型设置完成，就可以进行仿真，来得到结构对TE波和TM波的选通情况示意图、电场分布图等，来分析结构的极化选择特性。3.3仿真结果3.3.1极化选择特性结果分析仿真得到的TE波形图和TM波形图如下图3.3所示。图3.3（a）TE波形图图3.3（b）TM波形图图3.3（a）为TE波形图，图3.3（b）为TM波形图，图中横坐标为模拟激励发射出的电磁波的频率（单位GHz），纵坐标为透射系数的对数（单位dB），没有特别说明，本文中的TE波形图和TM波形图的横纵坐标图示相同。图中实线为S21，即正向传输系数，虚线为S11，即入射电磁波的回波损耗。当S21<-10dB时，即透射率小于10%，所以该频段内为对应波的阻带。TE波中，在11.08-16.50GHz和17.82-19.07GHz频段内出现-10dB阻带，谐振点为15.0GHz和18.3GHz，对应TM波在该频段内S21>-10dB，即为为通带。TM波中，在2.58-11.01GHz出现-10dB阻带，谐振点为7.4GHz，对应TE波在该频段内S21>-10dB，即为通带，因此该结构在0-20GHz内实现了极化选择特性。3.3.2电场分布情况分析为了更直观的了解电磁波在频率选择表面上的电场分布情况，作者利用软件绘制了15GHz下金属贴片表面的电场分布图。（a）上表面电场分布图（b）下表面电场分布图图3.415GHz下TE波时结构表面电场分布图（a）上表面电场分布图（b）下表面电场分布图图3.515GHz下TM波时结构表面电场分布图图3.4（a）是在TE波时，上层结构的电场分布图。由图中颜色分布可以知道，在TE波段，上层结构在相邻的“工”字型缝隙处电场分布密集，而其他部位相对分散，因此得出结论，上层结构对TE波的影响区域主要在相邻“工”字型结构缝隙处。图3.4（b）是在TE波时，下层结构的电场分布图。由图中颜色分布可以知道，在TE波段，下层结构的电场分布较为平均，没有明显的电场集中区域，所以下层结构对TE波的影响较小，可以忽略。图3.5（a）是在TM波时，上层结构的电场分布图。由图中颜色分布可以知道，在TM波段，上层结构的电场分布较为平均，没有明显的电场集中区域，所以上层结构对TM波的影响较小，可以忽略。图3.5（b）是在TM波时，下层结构的电场分布图。由图中颜色分布可以知道，在TM波段，下层结构相邻的“工”字型结构缝隙处电场分布密集，而其他部位相对分散，因此得出结论，下层结构对TM波的影响区域在相邻“工”字型结构的缝隙处。分析对比电场分布图，可以进行进一步的研究，工”字型结构缝隙对于频率选择表面的极化选择特性的有影响。而缝隙的基本特性是它的长度和宽度，所以作者针对缝隙的长度和宽度来进行分析比较，具体影响会在第四章中详细分类讨论。3.3.3关于仿真结果的数据说明仿真过程中，TE波段所用的实际时间为1分13秒，CPU运算时间为1分11秒，运行占用内存为636M。在此过程中共经过10次运算，预设目标收敛精度为0.01，最终计算得出的精度为0.0093957，共剖分了11761个网格。具体参数如下图3.6所示。图3.6仿真数据计算将数据转换成折线图，结果如下图3.7。图中横坐标为计算步骤的步数（单位：步），纵坐标为计算的精度，本文中没有特别说明，同类型关系图图示相同。折线图可以更加直观的看出具体的计算情况。在第五次计算时，精度急剧提高至1.3并继续上升，在第七次运算时，又急剧下降至0.1并继续下降，直至精度达到0.01及以下才停止，最终经过了10次运算。图3.7数据计算折线图TE波段所用的实际时间为2分40秒，CPU运算时间为2分38秒，运行占用内存为455M。在此过程中共经过9次运算，预设目标收敛精度为0.01，最终计算得出的精度为0.0083332，共剖分了8661个网格。具体参数如下图3.8所示。图3.8仿真数据计算将数据转换成折线图，如下图3.9所示。在前四次计算时，计算精度急剧精确至0.02左右，并开始趋于平缓，上下波动极小，直至精度达到0.01及以下才停止，最终经过了9次运算。图3.9数据计算折线图3.4等效电路图结合上文中章节2.2.3理论，作者设计的单元结构同样可以绘制成等效电路。将相邻两个结构并列，上下相邻的两个“工”字型结构之间可以等效为电容，而垂直的金属贴片则可以等效为电感。所以作者设计的单元结构可以等效为电容和电感的串联组合。等效电路示意图如下图3.10所示。图3.10（a）为相邻单元结构示意图，图3.10（b）为等效电路图。（a）相邻单元结构示意图（b）为等效电路图图3.9数据计算折线图

4仿真结果分析2.1上层结构与下层结构的特性2.1.1上层结构的极化选择特性设计具有极化选择特性的FSS，首先要使得基板表面的贴片具备初步极化选择特性，上文所述的三个横向并列的“工”字型结构（如图3.1（a）所示），金属贴片位于基板上表面和下表面时，极化选择特性有什么样的区别，对此进行研究讨论。当金属贴片位于单元结构上表面时，按图3.1（a）进行建模和仿真，得到单元结构的TE波形图和TM波形图，如下图2.1所示。图2.1（a）TE波形图图2.1（b）TM波形图仿真之后，TE波形图如图2.1（a）所示，图中实线为S21，点线为S11，在0-20GHz频段内没有出现-10dB传输阻带，S21全部大于-10dB，入射电磁波全通过。TM波形图如图2.1（b）所示，图中实线为S21，点线为S11，在2.77-11.40GHz频段内，S21<-10dB，出现-10dB传输阻带，并且其他频段发生全透射，谐振点为7.5GHz。结合TE波形图和TM波形图来看，可以的出结论，单面上层“工”字型结构能产生极化现象，但不能满足极化选择特性。单元结构在0-20GHz频段内，可以选通TE波，但不能选通TM波，频段2.77-11.40GHz内，TM波呈现阻带，TE波没有形成阻带，所以不符合设计要求。仿真中，TE波时，运行内存为589M，实际运行时间为47分3秒，CPU运行时间为46分58秒，收敛次数11次，折线图如图2.2（a）所示。前七次运算时，精度快速下降，精确至0.06左右，然后趋于平缓，最终下降至0.0072345，达到精度要求。共剖分网格12134个。TM波时，运行内存为1G，实际运行时间为119分40秒，CPU运行时间为118分48秒，收敛次数14次，折线图如图2.2（b）所示。整体运算呈现波动下降的趋势，最终下降至0.0031635，达到精度要求。共剖分网格19042个。（a）TE波数据计算折线图（b）TM波数据计算折线图图2.2数据计算折线图2.1.2下层结构的极化选择特性在2.1.1的基础上再进一步研究，同样的结构在下层时的选通特性情况是什么样的。于是在不改变结构形状和参数的基础上，仅改变金属贴片由上层移位至下层，并进行仿真结果分析，分别分析其TE波形图和TM波形图，如下图2.3所示。图2.3（a）TE波形图图2.3（b）TM波形图如上图2.3（a）所示，图为TE波形图，实线为S21，点线为S11，在频段0-20GHz内，S21全部大于0，没有出现-10dB传输阻带，入射电磁波全通过。如上图2.3（b）所示，图为TM波形图，实线为S21，点线为S11，在频段2.6-12.5GHz内，S21<-10dB，出现-10dB传输阻带，其他频段发生全透射，谐振点为8.3GHz。结合TE波形图和TM波形图来看，下层结构并不能满足极化选择特性的要求。在2.6-12.5GHz频段内，形成TM波阻带，选通TE波，而0-20GHz频段内没有形成TE波阻带，不能选通TM波，因此不符合设计要求。仿真中，TE波时，运行内存为589M，实际运行时间为47分3秒，CPU运行时间为46分58秒，收敛次数11次，折线图如图2.4（a）所示。前六次运算时，精度快速下降，精确至0.15左右，然后趋于平缓，最终下降至0.0072345，达到精度要求。共剖分网格12134个。TM波时，运行内存为121M，实际运行时间为26秒，CPU运行时间为25秒，收敛次数4次，折线图如图2.4（b）所示。整体运算呈现平稳下降的趋势，最终下降至0.0099418，达到精度要求。共剖分网格2520个。（a）TE波数据计算折线图（b）TM波数据计算折线图图2.4结合2.1.1中上层相同结构的仿真结果，对比图2.1和图2.3，谐振点由7.5GHz变化至8.3GHz，其他的特性比较相似，可以得出结论，相同结构在上层和下层两个位置，对整体的极化性能没有决定性影响。2.2结构的个数对极化选择特性的影响相同结构在上层和下层对于结果没有决定性影响，但不同的结构个数对频率选择表面的极化选择特性的性能影响不同，对此作者进行了“工”字型个数对性能影响的研究，分别仿真分析了一个、两个、四个、五个“工”字型结构的极化选择特性。2.2.1单个“工”字型结构如图2.5所示，图为单个“工”字型结构的仿真模型示意图，其中：“工”字型金属贴片改为一个，参数更改L2=9.5mm，其他参数均不变，与表3.1中的参数相同，建立模型。图2.5仿真模型图建立模型后进行仿真并分析结果，仿真结果TE波形图和TM波形图如下图2.6所示。图2.6（a）TE波形图图2.6（b）TM波形图图2.6（a）为TE波形图，实线为S21，点线为S11，在10.9-13.4GHz频段内，S21<-10dB,出现-10dB传输阻带,其他频段发生全透射，谐振点为12.2GHz。图2.6（b）为TM波形图，实线为S21，点线为S11，在2.6-2.4GHz频段内,S21<-10dB,出现-10dB传输阻带,其他频段发生全透射，谐振点为3.4GHz。综合TE波形图和TM波形图来分析比较，单个“工”字型结构可以在一定程度上满足极化选择特性。两个传输阻带相距较远，没有出现重叠现象。所以在频段10.9-13.4GHz内选通TM波，在频段2.6-2.4GHz内选通TE波。仿真中，TE波时，运行内存为216M，实际运行时间为9分57秒，CPU运行时间为9分57秒，收敛次数6次,折线图如图2.7（a）所示。整体呈现波动下降，在第六次精度下降至0.0052866，达到精度要求。共剖分网格4178个。TM波时，运行内存为107M，实际运行时间为2分7秒，CPU运行时间为2分36秒，收敛次数5次，折线图如图2.7（b）所示。整体运算呈现平稳下降的趋势，最终下降至0.0049473，达到精度要求。共剖分网格2181个。（a）TE波数据计算折线图（b）TM波数据计算折线图图2.72.2.2两个“工”字型结构如图2.8所示，图为两个“工”字型结构的模型仿真示意图，其中金属贴片改为两个，修改参数L2=2.6mm，其他参数均不变，与表3.1中参数相同，建立模型进行仿真。图2.8仿真模型图建立模型后进行仿真并分析结果，仿真结果如下图2.9（a）图2.9（b）所示。图2.9（a）TE波形图图2.9（b）TM波形图图2.9（a）为TE波形图，实线为S21，点线为S11，在18.5-20GHz频段内，S21<-10dB,出现-10dB传输阻带,其他频段发生全透射，谐振点为19.4GHz。可以看到，传输阻带偏大，阻带的右端已经大于20GHz。图2.9（b）为TM波形图，实线为S21，点线为S11，在2.05-7.90GHz频段内，S21<-10dB，出现-10dB传输阻带,其他频段发生全透射，谐振点为5.70GHz。结合TE波形图和TM波形图来看，两个“工”字型结构可以满足极化选择的要求，在0-20GHz频段内，出现两个传输阻带，并且不重叠。在18.5-20GHz频段内选通TM波，在2.05-7.90GHz选通TE波。仿真中，TE波时，运行内存为594M，实际运行时间为53分4秒，CPU运行时间为53分4秒，收敛次数11次,折线图如图2.10（a）所示。前五次计算呈现出急速下降的趋势，第六次开始趋于平缓，最终在第十一次时精度下降至0.0084235，达到精度要求。共剖分网格11309个。TM波时，运行内存为481M，实际运行时间为39分58秒，CPU运行时间为39分57秒，收敛次数11次，折线图如图2.10（b）所示。整体运算呈现波动下降的趋势，最终下降至0.0099277，达到精度要求。共剖分网格9118个。（a）TE波数据计算折线图（b）TM波数据计算折线图图2.102.2.3四个“工”字型结构如图2.11所示，为四个“工”字型结构的模型仿真图示，其中金属贴片改为四个，修改参数L2=2.4mm，其他参数均不变，与表3.1中其他参数相同。图2.11仿真模型图建立模型后进行仿真并分析结果，仿真结果如下图2.12所示。图2.12（a）TE波形图图2.12（b）TM波形图图2.12（a）为TE波形图，实线为S21，点线为S11，在0-20GHz没有出现-10dB传输阻带,S21均大于-10dB，频段内发生全透射，没有谐振点。图2.12（b）为TM波形图，实线为S21，点线为S11，在5.37-20GHz内，S21<-10dB，出现-10dB传输阻带,其他频段发生全透射，谐振点为11.4GHz。结合TE波形图和TM波形图来看，四个“工”字型结构不可以满足极化选择的要求，TE波在0-20GHz频段内没有产生-10dB传输阻带，使得电磁波全通过，影响了TM波的选通，仅TM波产生了传输通带，可以实现对TE波的选通。仿真中，TE波时，运行内存为334M，实际运行时间为19分39秒，CPU运行时间为19分26秒，收敛次数11次,折线图如图2.13（a）所示。前三次计算呈现出上升的趋势，从第四次开始急剧下降，第八次运算开始趋于平缓，最终在第十一次时精度下降至0.0053224，达到精度要求。共剖分网格7946个。TM波时，运行内存为72.7M，实际运行时间为1秒，CPU运行时间为1秒，收敛次数2次，折线图如图2.13（b）所示，由于次数太少，折线图呈现出只有一个点。运算次数在第二次计算就达到预设精度为0.0076829。共剖分网格1623个。（a）TE波数据计算折线图（b）TM波数据计算折线图图2.132.2.4五个“工”字型结构如图2.13所示，为五个“工”字型结构的模型仿真图示，其中金属贴片改为五个，L2=1.9mm，其他参数均不变，与表3.1中其他参数相同。图2.14仿真模型图建立模型后进行仿真并分析结果，仿真结果如下图2.15所示。图2.15（a）TE波形图图2.15（b）TM波形图图2.15（a）为TE波形图，实线为S21，点线为S11，在0-20GHz频段内几乎是一条直线，S21均大于-10dB，没有出现-10dB传输阻带,频段内发生全透射，没有谐振点。图2.15（b）为TM波形图，实线为S21，点线为S11，在5.20-20GHz频段内，S21<-10dB，出现-10dB传输阻带,其他频段发生全透射，谐振点为12.9GHz。结合TE波形图和TM波形图来看，五个“工”字型结构不能满足极化选择的要求，TE波在0-20GHz频段内，没有产生传输阻带，可以全部通过电磁波，不能对TM波进行选通，而TM波在5.20-20GHz频段内为阻带，可以选通TE波。仿真中，TE波时，运行内存为418M，实际运行时间为30分12秒，CPU运行时间为30分9秒，收敛次数12次,折线图如图2.16（a）所示。前六次计算呈现出急剧下降的趋势，从第七次运算开始于平缓，最终在第十二次时精度下降至0.0058953，达到精度要求。共剖分网格9253个。TM波时，运行内存为131M，实际运行时间为3分19秒，CPU运行时间为3分19秒，收敛次数4次，折线图如图2.16（b）所示，运算过程呈现出平稳下降的趋势。运算次数在第四次计算达到预设精度为0.00080548。共剖分网格2918个。（a）TE波数据计算折线图（b）TM波数据计算折线图图2.162.2.5结论将章节2.1.1和2.2.1至2.2.4相结合来比较，可以更直观的看出结构个数对极化选择特性的影响。作者将每个结构的S21曲线图数据提取出来，并绘制在同一曲线图中，结果如下图2.17所示。（a）TE波S21曲线图（b）TM波S21曲线图图2.17S21曲线对比图如图2.17所示，图为“工”字型结构不同个数的S21曲线图，实线为结构个数1，数据取自图2.6；短虚线为结构个数2，数据取自图2.9；长虚线为结构个数3，数据取自图2.1；单点划线为结构个数4，数据取自图2.12；双点划线为结构个数5，数据取自图2.15。图中横坐标为模拟激励发射出的电磁波的频率（单位0.1GHz），纵坐标为透射系数的对数（单位dB）。图2.17（a）为TE波形图，由图可见，随着“工”字型结构个数的增加，S21<-10dB的频段逐渐增大，当结构个数大于等于3时，在0-20GHz频段内呈现出全透射，没有阻带产生。图2.17（b）为TM波形图，由图可见，随着“工”字型结构个数的增加，S21<-10dB的频段逐渐增大，并且阻带变宽。结合TE波形图和TM波形图来看，选择结构个数3时，为最优结构，在0-20GHz频段内，有完整的TM波阻带，同时满足TE波全透射，完全符合极化选择特性，因此本文的最终结构个数确定为3。2.3缝隙宽度与长度对极化现象的影响由3.3.2电场分布情况可知，对于单元结构的极化选择特性的影响主要集中在上层和下层“工”字型结构的缝隙处，对此进行进一步的研究。2.3.1缝隙宽度对TE波的影响由图3.4（a）可知，对TE波的影响主要在上层结构的缝隙处，所以按照章节3.1中的结构，作者们进行研究。保持下层结构（图3.1（b））不变，改变上层结构（图3.1（a））缝隙的宽度，来进行仿真。图3.1（a）中L1=8.8mm，L2=3.2mm，w1=0.2mm，w2=0.5mm，g2=1.3mm。作者们可以通过改变L2的值，来实现对缝隙宽度的研究，仿真结果如下图2.17所示。图2.18TE波形图图2.18中双点划线为L2=3.1mm时，S21曲线；虚线为L2=3.2mm时，S21曲线；实线为L2=3.3mm时，S21曲线。由图中可知L2=3.1mm时，在11.28-17.00GHz和18.11-19.69GHz频段内，S21<-10dB，产生传输阻带，谐振点为15.4GHz和18.7GHz；L2=3.2mm时，在11.08-16.55GHz和17.81-19.08GHz频段内S21<-10dB，产生传输阻带，谐振点为15.0GHz和18.3GHz；L2=3.3mm时，在10.60-15.43GHz和17.28-17.7GHz频段内S21<-10dB，产生传输阻带，谐振点为12.1GHz和17.6GHz。经过对比可以得出结论，随着缝隙宽度的减小，阻带整体向左移动，谐振点相应变小。2.3.2缝隙长度对TE波的影响保持下层结构（图3.1（b））不变，改变上层结构（图3.1（a））缝隙的长度，来进行仿真。图3.1（a）中L1=8.8mm，L2=3.2mm，w1=0.2mm，w2=0.5mm，g2=1.3mm。作者们可以通过改变w2的值，来实现对缝隙长度的研究，仿真结果如下图2.19所示。图2.19TE波形图图2.19中双点划线为W2=0.4mm时，S21曲线；虚线为W2=0.5mm时，S21曲线；实线为W2=0.6mm时，S21曲线。由图中可知W2=0.4mm时，在11.21-16.72GHz和17.91-19.40GHz频段内S21<-10dB，产生传输阻带，谐振点为15.2GHz和18.5GHz；W2=0.5mm时，在11