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。

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。

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。

频率选择表面天线罩的研究郑书峰尹应增马金平刘璐张建成（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安 710071）摘要：本文从Y环形孔径频率选择表面（FSS）的传输特性出发，针对定向天线和全向天线分别设计出了具有带通特性的平面和柱面FSS天线罩，并从远场和近场两方面对天线及天线罩系统的电磁特性进行了仿真分析，并进行了实验验证。

结果表明设计出的FSS天线罩为天线的远场方向图带来较小畸变的同时，能够很好地降低天线间的互耦。

关键词：频率选择表面（FSS） 天线罩Investigation of Frequency selective surfaces(FSS) Radome ZHENG Shu-feng ，YIN Ying-zeng，MA Jin-ping，LIU Lu，ZHANG Jian-cheng (Institute of Antennas and Electromagnetic Scattering，Xidian University, Xi'an 710071，China)Abstract: Two types of planar and cylindrical FSS radome with band-pass property corresponding respectively with directional and unidirectional antennas are designed on the basis of Y loop slot FSS’s transmission characteristic. The electromagnetic characteristic of the composite system(antenna and FSS radome)is simulated ,and the experimental results is presented, which indicate that the designed FSS radomes can obviously suppress the coupling between antennas while producing slight aberrance on the radiation pattern of antenna.Keywords: Frequency selective surfaces (FSS);Radome1 引言天线罩是用来保护天线或整个微波系统免受环境影响的外壳，在无线系统中应用广泛。

fss 频率选择表面空气中的声音，让人们生活在昏暗中，仿佛每个人都有各自的声音，这些声音汇集在一起，混合在一起，就像繁复的钟声，寻求着一种新的平衡。

这就是fss频率选择表面的概念。

FSS频率选择表面是一种革新性的声音处理技术，它可以将多种声音源，如噪声、语音、乐器声等，组合在一起，形成一种清晰、纯净的声音，令人耳目一新。

FSS频率选择表面的实际应用，有助于加强对声音的控制，提高声音的质量和效果，为噪声控制和环境保护奠定基础。

FSS频率选择表面的设计是基于人类听觉系统和心理学原理。

在实际应用中，它将多达十余种不同的声源，经过高精度处理，形成一个均衡、统一的声音。

这种技术可以有效地消除噪音，改善声音的体验，提升音乐的表现力，改善动态平衡，使声音变得柔和自然，使播放环境更加舒适、更加安静。

另外，FSS频率选择表面也具备完备的安全功能，可以鉴别恶意的声音，消除有害的高频信号，抑制传播途中的噪声污染，使其不会影响后续传播。

这种技术对于音乐制作和广播录音也极为重要，可以提供一个舒适、安静的环境，改善音质，使声音更加清晰、自然，令人耳目一新。

FSS频率选择表面的应用不仅仅体现在日常的音频处理手段上，还可以用于复杂的超音速飞行计算中。

在此，自动化频率选择技术可以实现针对不同深度和噪声级别的自动调节，使飞行更加安全、舒适，从而大大提高飞行效率。

FSS频率选择表面在航空行业也是一种新兴的技术，可以有效消除超音速飞行途中的噪声污染，提高飞行效率，确保飞行安全。

总之，FSS频率选择表面的技术已经得到了广泛的应用，它不仅能够提升声音的质量和效果，还可以有效消除噪声，改善环境，为人们的安全生活奠定基础。

FSS频率选择表面将继续在未来发挥重要作用，为人们带来更加优质的声音体验，为改善空气污染作出应有的贡献。

基于HFSS和ADS仿真软件的频率选择表面教学探索基于HFSS和ADS仿真软件的频率选择表面教学探索摘要：本文介绍了基于HFSS和ADS仿真软件的频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）教学探索。

首先，对FSS的基本原理进行了简要介绍，着重阐述了其在无线通信、雷达系统和微波天线等领域的应用。

然后，针对FSS的设计与工程问题，我们结合HFSS和ADS两款仿真软件，进行了一系列实验和探索，包括FSS的设计与优化、特性分析和性能测试等。

最后，我们总结了本次探索的经验和收获，并对FSS的研究和应用前景进行了展望。

关键词：频率选择表面；HFSS；ADS；无线通信；雷达系统；微波天线1. 引言频率选择表面是一种具有特殊结构和周期性布置的表面材料，能够在特定频率范围内选择性地通过或反射电磁波。

由于其较高的频率选择性和紧凑的结构特点，FSS在无线通信、雷达系统和微波天线等领域具有广泛的应用潜力。

然而，由于FSS设计和工程问题的复杂性，许多学生在学习和掌握FSS的过程中面临困难。

因此，本文基于HFSS和ADS仿真软件，尝试探索一种新的FSS教学方法，旨在提高学生的学习兴趣和实践能力。

2. FSS的应用和原理2.1 无线通信领域FSS在无线通信领域的应用主要集中在天线和终端设备方面。

通过设计合适的FSS结构，可以实现天线的宽带性能和阻塞频段选择，提高天线收发能力。

2.2 雷达系统领域FSS在雷达系统中的应用主要体现在反射面和散射体方面。

通过合理设计FSS反射面的结构和参数，可以改变雷达系统的工作频率和波束方向，提高雷达系统的性能和探测能力。

2.3 微波天线领域FSS在微波天线中的应用主要集中在增益和频率选择性方面。

通过引入FSS结构，可以获得较高的天线增益和选择性频率特性，提高微波天线的性能。

3. HFSS和ADS仿真软件的应用3.1 FSS的设计与优化通过HFSS仿真软件，可以对FSS的电磁场分布、S参数和功率反射系数进行仿真和分析。

插图索引插图索引图2.1频率选择表面FSS的滤波特性 (5)图2.2FSS的单元形状 (6)图2.3一维周期单元排列 (7)图2.4栅瓣产生示意图 (9)图2.5反射面应用示意图[30] (10)图2.6滤波器应用示意图[32] (11)图2.7三层曲折线极化器结构[34] (11)图2.8吸收体结构示意图[35] (12)图2.9加变容二极管的AFSS[37] (13)图2.10FSS的极化可重构天线[16] (14)图2.11可重构天线示意图[49] (15)图2.12频率可重构结构图[46] (16)图3.1微带反射阵的构成及电磁波传播 (17)图3.2不同单元间相位差 (18)图3.3改变尺寸大小的阵列单元[52] (20)图3.4加载长度的阵元及结果[53] (20)图3.5旋转角度的阵元及分布[54] (21)图3.6单元旋转圆极化阵列及结果[55] (21)图3.7微带反射阵列分析系统 (22)图3.8空间波程差示意图 (23)图4.1线极化波示意图 (26)图4.2椭圆极化的矢端轨迹图 (28)图4.3十字花瓣单元结构仿真模型 (30)图4.4Floquet端口 (31)图4.5Floquet端口激励设置及去嵌入设置与网格剖分 (31)图4.6频率选择表面的单元结构 (32)图4.7频率选择表面阵列 (33)图4.8圆形频率选择表面的实物加工 (33)图4.922微带贴片天线模型 (34)S仿真结果示意图 (35)图4.10阵列贴片天线11图4.11贴片天线方向图 (35)图4.12天线实物加工图 (36)图4.13基于FSS极化可重构天线模型 (37)图4.14四种不同的夹角示意 (38)图4.15极化可重构天线实物图 (38)图4.16极化可重构天线暗室测试 (39)S仿真与测试示意图 (39)图4.17天线11图4.18在10GHz四种角度下天线的xoz和yoz面方向图 (40)图4.19天线方向图的交叉极化与共极化结果示意图 (41)图4.20极化可重构天线的轴比仿真与测试结果示意图 (41)图5.1十字花瓣型单元形状 (44)图5.2十字花瓣型微带反射阵的HFSS模型 (44)图5.3十字花瓣型单元相位曲线 (45)图5.4参数a变化时单元结构的相位分析 (46)图5.5参数h变化时单元结构的相位变化 (46)图5.6参数d变化时单元结构的相位变化 (47)图5.7单元个数为81的相位补偿量分布 (48)图5.8单元个数225的相位补偿量分布 (50)图5.9十字花瓣型微带反射阵的阵列分布 (50)图5.10微带反射阵结构图 (51)图5.11馈源天线模型示意图 (51)图5.12喇叭天线正馈的十字花瓣型微带反射阵 (52)图5.13Vivaldi正馈的十字花瓣型微带反射阵列 (52)图5.14喇叭天线为馈源时辐射方向图 (53)图5.15Vivaldi正馈时十字花瓣阵的方向图 (53)图5.16喇叭天线正馈的十字花瓣阵 (54)图5.17Vivaldi正馈的十字花瓣阵 (54)图5.18喇叭天线正馈时225十字花瓣阵的方向图 (54)图5.19Vivaldi正馈时其225十字花瓣阵的方向图 (55)图5.20微带反射阵单元结构 (56)图5.21阵列单元两种不同状态的仿真等效单元 (57)图5.22外开状态下加载等效电容示意图 (58)图5.23两种不同状态下反射阵单元结构的Floquet端口激励示意图 (58)图5.24两种状态下反射阵单元结构的主从边界设定 (59)图5.25内环开状态下反射相位随电容改变的相位补偿图 (59)图5.26外环开状态下反射相位随电容改变的相位补偿图 (60)图5.27内环开状态的81微带反射阵列分布 (61)图5.28外环开状态的81微带反射阵列分布 (62)图5.29内环开12.22GHz状态下的天线加载的微带阵列天线 (62)图5.30外环开状态9GHz下的天线加载的微带阵列天线 (63)图5.31在12.22GHz下方向图与加载内环开阵列下的方向图 (63)图5.32在9GHz下方向图与加载外环开阵列下的方向图 (64)表格索引表2.1避免栅瓣的最小单元间隔........................................................................7表4.1COS 型极化器的参数（单位：mm ）...................................................32表4.2微带阵列天线的参数（单位：mm ）....................................................34表5.1十字花瓣型单元结构的尺寸大小（单位：mm ）................................43表5.2微带反射阵9981⨯=单元大小尺寸（单位：mm ）............................48表5.315×15微带反射阵表面单元大小尺寸分布（单位：mm ）................49表5.4阵列单元结构尺寸大小（单位：mm ）................................................56表5.5阵列单元的两种不同工作状态..............................................................57表5.68199=⨯个阵列单元的相位补偿值（单位：度） (61)符号对照表符号符号名称GHz吉赫兹dB分贝mm毫米pF皮法deg.度c自由空间中光速（8⨯）310/m sε相对介电常数rx坐标方向y坐标方向z坐标方向缩略语对照表缩略语英文全称中文对照FSS Frequency Slective Surface频率选择性表面RCS Radar Cross Section雷达散射截面MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems微电子机械系统TE Transverse Electric横电场TM Transverse Magnetic横磁场AR Axial Ratio轴比LPW Linear Polarization Wave线极化CPW Circularly PolarizationWave圆极化波LHCPW Left-Hand Circularly PolarizedWave左旋圆极化波RHCPW Right-Hand Circularly PolarizedWave右旋圆极化波HFSS High Frequency Structure Simulator高频仿真软件目录目录摘要 (I)ABSTRACT (III)插图索引 (V)表格索引 (IX)符号对照表 (XI)缩略语对照表 (XIII)第一章绪论 (1)1.1本文研究背景与意义 (1)1.2国内外研究动态 (2)1.3本文主要的研究内容 (3)第二章FSS及可重构天线 (5)2.1频率选择表面 (5)2.1.1FSS分类与滤波特性 (5)2.1.2FSS的单元结构 (6)2.1.3FSS的性能影响参数 (6)2.1.4FSS的排布以及间距 (6)2.2FSS的仿真与Floquet方法 (7)2.3FSS的栅瓣 (8)2.4FSS的应用 (9)2.4.1混合雷达罩 (10)2.4.2反射面 (10)2.4.3带阻滤波器 (10)2.4.4曲折线极化器 (11)2.4.5电路吸收体 (12)2.4.6使用PIN二级管的FSS (12)2.5FSS应用中的可重构天线 (13)2.5.1基于FSS的极化可重构天线 (13)2.5.2基于FSS的方向图可重构天线 (14)2.5.3基于FSS的频率可重构天线 (15)第三章微带反射阵天线理论 (17)3.1微带反射阵天线理论 (17)3.1.1微带反射阵天线的工作原理 (17)3.1.2微带反射阵天线的相位 (17)3.1.3微带反射阵的相移方式 (19)3.1.4微带反射阵天线的辐射特性 (21)3.1.5微带反射阵天线的带宽 (22)3.2微带反射阵天线的设计步骤 (24)第四章基于FSS的极化可重构天线设计 (25)4.1极化波 (25)4.1.1极化波的分类 (25)4.1.2线极化圆极化的转换方法 (28)4.2基于FSS极化器设计 (29)4.2.1FSS单元的仿真设计 (29)4.2.2FSS的阵列设计及加工 (32)4.3微带阵列天线设计 (33)4.3.1微带贴片天线设计 (33)4.3.2天线参数仿真测试 (35)4.4基于FSS的X波段极化可重构天线设计 (36)4.4.1基于FSS的极化可重构天线的设计原理 (36)4.4.2极化可重构天线的仿真与实测 (38)4.5总结 (42)第五章基于频率选择表面的微带反射阵天线的设计 (43)5.1十字花瓣型微带反射阵列设计 (43)5.1.1单元结构设计 (43)5.1.2单元仿真与参数分析 (45)5.1.3阵列补偿相位与阵列设计 (47)5.1.4阵列组成 (50)5.1.5馈源介绍与阵列加载天线结果分析 (51)5.2加载PIN的反射阵列设计 (55)5.2.1单元结构设计 (55)5.2.2单元结构等效分析 (56)5.2.3阵列相位分析仿真与参数分析 (59)5.2.4阵列补偿相位与阵列设计 (60)5.2.5两种状态结果分析 (62)5.3总结 (64)目录第六章总结与展望 (65)参考文献 (67)致谢 (73)作者简介 (75)第一章绪论第一章绪论1.1本文研究背景与意义频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)可被应用于偏振器、空间滤波器、反射面以及雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)缩减中[1]，FSS加工简单方便，是将介质基板上的金属贴片或者槽按照特定规律排列的特定结构。

频率选择表面研究与设计刘国盛;田辉【摘要】This paper studies the frequency selective surface (FSS).By investigating FSS in different structures,a kind of band pass FSS on normal dielectric material using HFSS is designed and simulated.In 20％bandwidth,the transmission attenuation of this kind of FSS is lower than-2 dB when vertical irradiation,the transmission characters when the incident microwave come from different direction is also studied.%对频率选择表面进行了研究,通过研究不同结构的频率选择表面,在现有介质材料的基础上设计了一种具有带通特性的频率选择表面,并用Ansoft HFSS进行了仿真设计.在20％带宽内实现了垂直照射传输损耗小于-2 dB,并研究了电磁波在不同入射角度下的传输特性.【期刊名称】《现代防御技术》【年(卷),期】2013(041)003【总页数】5页(P106-110)【关键词】频率选择表面;带通;垂直照射;传输特性【作者】刘国盛;田辉【作者单位】中国航天科工集团公司二院25所,北京 100854;中国航天科工集团公司二院25所,北京 100854【正文语种】中文【中图分类】TN820.8+10 引言在安装有雷达传感器的各类飞行器上，希望雷达天线罩在工作频段内实现低损耗传输，而在工作频段外像金属罩一样，与飞行器外形相赋形，从而达到低雷达散射截面的目的，构成各类隐身飞行器。

频率选择表面是一种空间滤波器，它可作为雷达天线的带通天线罩，在工作频段内既可以有效降低外来干扰，又可以减小前向电磁散射，从而降低目标RCS［1］。

微波技术课程大作业——39022628 刘旭翔HFSS软件学习资料大全与实例仿真39022628 刘旭翔 一、HFSS简介：HFSS是利用我们所熟悉的windows图形用户界面的一款高性能的全波电磁场(EM)段任意3D无源器件的模拟仿真软件。

它易于学习，有仿真，可视化，立体建模，自动控制的功能，使你的3D EM问题能快速而准确地求解。

Ansoft HFSS使用有限元法(FEM)，自适应网格划分和高性能的图形界面，能让你在研究所有三维EM问题时得心应手。

Ansoft HFSS能用于诸如S-参数，谐振频率和场等的参数计算。

典型的应用包括：封装模型－BGA，QFP，Flip－ChipPCB板建模－电源/接地板，网格面，底板硅/砷化镓－螺旋电感线圈，变压器EMC/EMI－屏蔽防护层，耦合，近/远场辐射天线/移动通信－贴片天线，偶极子，喇叭，等元电话天线，四臂螺旋天线，吸收比(SAR),无限阵列，雷达横截面(RCS)及频率选择表面(FSS) ，连接器－同轴电缆，SFP/XFP，底板，转换器，波导－滤波器，共鸣器，转换器，连接器，滤波器－腔体滤波器，微带传输带，介质滤波器HFSS是基于四面体网格元的交互式仿真系统。

这使你能解决任意的3D几何问题，尤其是那些有复杂曲线和曲面的问题，当然在局部会利用其他技术。

HFSS是高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator）的缩写。

Ansoft公司最早在电磁仿真中使用如切线矢量有限元，自适应网格，和ALPS等有限元法解决EM仿真问题。

今天，HFSS继续以革新领导着这个产业，如模型对节点和全波SPICE分析。

Ansoft HFSS听取许多用户和工业界的意见，发展了很长一段时间。

在业界，Ansoft HFSS是高生产力研究，发展和虚拟的工具之一二．HFSS界面介绍：1）HFSS常用窗口有：项目管理窗口(Project Manager)，信息管理窗口(Message Manager)，属性窗口(Property Window)，过程窗口(Progress Window)，三维模型窗口(3D Modeler Window) 等2）HFSS设计窗口（1）在Hfss界面上，每个项目可以有多个设计，每个设计都在不同的窗口中显示（2）可以同时打开和查看多个项目和设计窗口（3）可以拖动标题栏来调整窗口位置，拖曳窗口的边界或角来调整它的大小，也可以通过下面的菜单选项来调整：Window Cascade, Window >Tile Vertically, or Window > Tile Horizontally.（4）点击文件面板右上角的最小化符号来缩小设计窗口，此时在总窗口下方会出现一个图标。

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。

hfss谐振模式频率
HFSS（高频结构模拟软件）是一款由Ansys公司开发的电磁场
仿真软件，用于分析和解决高频电磁问题。

在HFSS中，谐振模式频
率是指在特定的结构或器件中，由于电磁场的共振效应而产生的特
定频率。

谐振模式频率通常是指在谐振腔、天线、滤波器等器件中
的共振频率。

谐振模式频率的计算涉及到电磁场的分布、材料特性、结构几
何形状等因素。

在HFSS中，可以通过建立几何模型、设置材料属性、定义边界条件等步骤来进行谐振模式频率的分析和计算。

通过HFSS
的模拟和优化功能，可以得到谐振模式频率的准确数值，并且可以
进一步分析谐振模式的场分布、频率特性等信息。

谐振模式频率的分析对于高频器件的设计和优化具有重要意义。

在实际工程中，工程师可以利用HFSS软件来预测谐振模式频率，从
而指导器件的设计和优化，提高器件的性能和稳定性。

同时，谐振
模式频率的分析也有助于理解器件的工作原理和特性，为工程实践
提供重要参考。

总的来说，HFSS在谐振模式频率的分析中发挥着重要作用，工
程师可以通过HFSS软件准确地预测和分析谐振模式频率，从而指导器件的设计和优化，提高器件的性能和可靠性。

hfss 波导截止频率HFSS（High-Frequency Structure Simulator）是一种高频电磁场仿真软件，常用于分析波导的性能。

波导是一种能够导波的结构，常用于高频电路和微波器件中，具有广泛的应用。

波导的截止频率是指波导能够传导电磁波的最低频率。

在低于截止频率时，波导无法传输电磁波，而只能反射或吸收电磁波。

波导的截止频率与波导的几何形状、尺寸以及材料特性有关。

波导的几何形状和尺寸对截止频率的影响非常大。

波导的尺寸越大，截止频率越低，因为较大的尺寸会导致波导中的电磁波传播速度减小，从而影响截止频率。

此外，波导的截止频率还受到管道的形状和布局的影响。

例如，矩形波导的截止频率比同等尺寸的圆形波导低。

波导材料的特性也会影响波导的截止频率。

波导设计中常用的材料有金属和介质。

金属材料常用于波导的外壳，能够有效地屏蔽外界的电磁干扰。

介质材料常用于波导的芯片，能够提供传导电磁波的介质。

不同的材料具有不同的介电常数和导电性能，从而影响波导的截止频率。

在HFSS中，可以通过建立波导的几何模型，并设置波导的尺寸和材料特性，来模拟波导的截止频率。

HFSS利用有限元分析方法，求解Maxwell方程，并计算出波导的电场和磁场分布，从而得到波导的截止频率。

在实际应用中，波导的截止频率是一个重要的设计参数。

设计人员需要根据系统的需求和具体的应用场景，合理选择波导的尺寸和材料特性，以满足系统对截止频率的要求。

对于一些特殊的应用，如高速通信和雷达系统，截止频率的选择尤为重要，需要进行详细而准确的分析和设计。

总之，波导的截止频率是波导能够传导电磁波的最低频率。

波导的几何形状、尺寸和材料特性对截止频率有着重要影响。

HFSS是一种用于分析波导性能的仿真软件，能够帮助设计人员准确地计算波导的截止频率，从而实现优化设计和性能分析。

hfss中铜箔粗糙度设置
在HFSS（高频结构模拟软件）中，可以通过设置铜箔的粗糙
度来模拟真实材料的表面粗糙度效果。

以下是设置铜箔粗糙度的一般步骤：
1. 创建一个仿真模型并导入铜箔结构。

2. 在设计界面中右键单击铜箔的名称，选择“定义材料属性”。

3. 在“材料”对话框中，选择“添加（A）”以添加一个新的材料。

4. 在“材料属性”对话框中，选择“自定义”以创建一个自定义的
材料。

5. 在“材料参数”选项卡中，选择“表面”。

6. 在“材料参数”选项卡下方的“表面粗糙度”中，可以设置不同
的参数来模拟铜箔的粗糙度效果。

通常，可以设置粗糙度的标准差和相关长度等参数。

具体设置的数值应根据实际需求进行调整和优化，一般可以通过实验数据或资料来确定合适的数值范围。

需要注意的是，设置铜箔的粗糙度可能会增加计算的复杂度和计算时间，因此需要根据实际计算机性能和仿真要求来权衡选择适当的参数范围。

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。

电磁场HFSS实验报告材料实验一 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SetModel 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。

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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基于滤波器电路设计多层带通频率选择表面王义富【摘要】针对传统多层频率选择表面(frequency selective surface,FSS)的设计存在计算量大、耗时长等问题,提出了一种基于滤波器理论和FSS等效电路设计多层FSS的方法.该方法先由滤波器理论综合得到多层FSS的等效电路,再利用FSS等效电路的反演方法将其电路模型转换成多层FSS的结构参数.物理过程简单直观,可以实现任意层数的高阶FSS的快速精确设计.为了验证该方法的准确性,完成了一种K 波段带通型三阶FSS天线罩设计以及实物样件加工、测试.测试结果表明该天线罩的传输曲线与滤波器理论设计结果基本一致,且对天线辐射方向图的影响较小,为多层FSS的精确设计提供了一种精确理论设计方法.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)002【总页数】7页(P145-151)【关键词】多层频率选择表面;滤波器理论;等效电路;天线罩;传输系数【作者】王义富【作者单位】中国西南电子技术研究所,成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN702引言频率选择表面(frequency selective surface,FSS)是由周期性排列的金属贴片单元或者金属屏上周期性排列的开孔单元构成．因其具有空间频率选择滤波特性,在滤波器、极化器、吸波器、微波透镜天线、多频反射面天线以及隐身天线罩等方向中具有非常重要的应用[1-5]．FSS分析和设计方法是FSS研究的重要内容．对此,国内外研究学者进行了深入的研究,并发展了一系列的FSS分析和设计方法,如全波数值分析法[6-8]、智能优化算法[9]以及近似分析方法[10-12]．全波数值计算(有限元、矩量法、时域有限差分)适用于任意FSS结构,计算精度高．智能优化算法(如遗传算法、神经网络算法及混合算法)是一种基于给定目标的多参数优化算法．全波数值计算和智能优化算法是FSS设计中应用最为广泛和最有效的设计技术．然而,二者均是基于全波电磁场数值计算和优化的正向设计技术,分析过程中缺乏理论指导,设计具有一定的盲目性,导致计算量大,耗时严重和设计效率低下．近似分析方法是一种基于等效电路模型的分析技术,分析过程简单直观,但存在计算精度不高和通用性差等问题．随着FSS工程应用要求的提高,多层FSS成为后续发展趋势[13-14]．而对于多层FSS的快速、高效和精确设计,上述FSS设计技术存在的问题更加突出．实际上,FSS是一种空间滤波器,可以采用滤波器电路理论来进行综合和逆向设计．基于以上思想,本文提出了一种基于滤波器理论和FSS等效电路进行多层FSS设计的理论设计方法．建立了多层FSS的滤波器电路设计模型,给出了详细的设计步骤．并以K波段为例,设计了一种三层带通型FSS,通过仿真计算、实物测试验证了设计方法的可行性和有效性．1 多层FSS的滤波器电路模型1.1 滤波器电路模型为了实现良好电磁匹配特性,多层FSS一般采用夹层结构进行设计,如C夹层、多夹层[12]．如图1所示,多层FSS由高密度蒙皮、FSS图案和低密度的芯层交错排列而成,形成一种“三明治”式多夹层结构．通常来说,蒙皮厚度很薄,一般由复合材料(增强纤维、树脂材料)组成．芯层通常为蜂窝、泡沫等,其电长度接近λ/4(λ为工作波长)．设多层FSS的图案数为n,则芯层数为n-1,总厚度约为(n-1)λ/4．图1 多层FSS天线结构示意图Fig.1 Block diagram of multilayer FSS structure 带通型FSS是一种具有带通空间滤波特性的周期结构,在天线隐身设计中广泛应用．缝隙型FSS是一种典型带通型FSS结构．缝隙型FSS单元可等效成电容和电感的并联[15],则多层缝隙型FSS的等效电路可表示成图2(a)所示．根据四分之一波长阻抗变换器特性(也称J变换器),可以进一步变换得到图2(b)所示电路．不难发现,其即为n阶带通滤波器标准电路．二者等效条件为:(i=1,3,5,…,i为奇数);(1)(i=1,3,5,…,i为奇数);(2)(i=2,4,…,i为偶数);(3)(i=2,4,…,i为偶数)．(4)式中:Ci和Li分别为第i层FSS的等效电路值;和为第i层FSS经变换后等效电路值;Z0=377 Ω为自由空间特性阻抗．采用图2设计模型,并利用滤波器电路理论进行逆向设计,即可完成多层带通型FSS 的精确设计．值得说明的是,该方法不仅适用于多层带通型FSS,同样还适用于任意层数的低通、高通以及带阻型FSS精确设计．(a) 变换前等效电路(a) Equivalent circuit before transformation(b) 变换后等效电路(b) Equivalent circuit after transformation图2 多层FSS的滤波器电路模型Fig.2 Filter circuit model of multilayer FSS1.2 FSS等效电路的分析和计算获得多层FSS的等效电路模型以及各层等效电路数值后,下一步需建立等效电路值与FSS结构参数的对应关系,从而将电路模型转化成FSS结构参数．文献[15]提出了一种计算多层介质中任意形状FSS等效电路的方法．该方法基于全波数值仿真计算和微波网络理论精确提取介质中FSS的等效电路参数,可以获得FSS结构参数和等效电路参数的一一对应关系,从而可将等效电路值转化成FSS图案结构参数．2 K波段多层带通FSS设计采用滤波器电路理论进行K波段多层带通FSS天线罩设计．给出详细设计步骤,并进行全波数值仿真验证．2.1 滤波器电路设计要求设计的K波段多层带通FSS的中心频率为f0(单位:Hz),相对带宽δ=20%,上下阻带对应频率为0.5f0和1.5f0,阻带截止率大于20 dB．滤波器电路采用0.1 dB波纹的切比雪夫分布进行设计．根据滤波器理论,可求得该滤波器电路的阶数n=3．0.1 dB波纹切比雪夫低通原型滤波器的归一化参数为g0=g4=1,g1=g3=1.031 6,g2=1.147 4．进行频率和阻抗变换,将低通原型电路变换成带通电路．即并联电容变换成电容和电感的并联,而串联电感变换成电容与电感的串联,如图3(b)所示．其电路元件值为[16]:(5)(6)(7)(8)式中:F(法拉)和H(亨利)分别为电容和电感单位．(a) 三阶低通原型电路(a) Third-order low-pass prototype circuit(b) 标准带通滤波器电路(b) Standard band-pass filter circuit(c) 三阶FSS电路(c) Third-order circuit of FSS图3 三阶带通FSS电路原理图以及变换Fig.3 Circuit schematic of third-order band-pass FSS and its transformation利用式(1)～(8),可求得三阶带通FSS电路:(9)(10)(11)(12)2.2 天线罩结构设计获得K波段三阶带通FSS等效电路参数后,下一步需开展FSS的结构设计,并将其等效电路参数转化成FSS结构、物理尺寸等信息．根据1.1节滤波器电路模型,三阶带通型FSS采用C夹层结构,其夹层结构如图4所示．该结构由蒙皮材料、FSS图案和芯层材料交替组合而成,FSS图案嵌入到蒙皮材料的中心位置．蒙皮材料选用环氧酯树脂基体和石英纤维布混合的复合材料．该复合材料具有较低介电常数和损耗正切、结构强度好等优点,其介电常数为3.36,损耗正切为0.01．天线罩芯层材料选用聚甲基丙稀酰亚胺泡沫．其介电常数为1.05,损耗正切为0.005．其中蒙皮材料厚度很薄,主要起结构强度支撑作用．芯层泡沫材料约为λ0/4(λ0为中心频率f0对应的介质波长),起阻抗变换的功能．整个天线罩结构总厚度约为0.52λ0．图4 三阶带通FSS天线罩结构Fig.4 Structure of third-order band-pass FSS radome2.3 FSS单元图案设计FSS单元图案设计即建立其等效电路与FSS单元结构的关联关系,包括FSS单元选择、阵列排布方式设计及其结构参数的确定．FSS的单元类型较多,不同单元形式对应不同的等效电路．如贴片型单元可等效成电容和电感串联,而缝隙型单元则等效成电容和电感的并联．即使等效电路形式相同,其等效电路数值不仅与FSS单元的几何结构(形状、尺寸)密切相关,还特别易受附着介质材料、入射电磁波的极化和入射角度的影响[17]．缝隙型FSS是一种具有带通特性的FSS单元形式,可等效成电容和电感的并联．相比十字形、Y型、方型环和圆形等缝隙结构,六边形缝隙单元具有旋转对称性,极化一致性较好等优点．故该多层FSS将采用六边形缝隙FSS单元．FSS的阵列排布方式主要有正方形排布和三角排布．对于六边形缝隙单元,采用三角排布可使得结构更为紧凑,提高FSS结构的利用率,进而实现FSS单元的小型化特性．因此,本节采用三角排布来设计．三角排布的FSS结构及其单元等效电路形式如图5所示．在其等效电路中,FSS缝隙可等效成电容C1,电感L1由外环金属等效而来,内部贴片电感L2可忽略．(a) FSS图案 (b) 等效电路 (a) Pattern of FSS (b) Equivalent circuit图5 缝隙型FSS图案及其等效电路Fig.5 Pattern of slot FSS and its equivalent circuit利用文献[16]FSS等效电路的计算方法,可分别得到电容和电感随FSS结构尺寸(周期p、缝宽w和r)的变化曲线．固定FSS单元周期p=0.27λ0,得到各层FSS图案的结构参数为:w1=w3=0.014λ0,w2=0.012λ0,r1=r2=r3=0.091λ0．2.4 仿真验证与分析采用基于Floquet模式的有限元全波分析方法,对FSS周期结构进行数值计算．其传输特性随频率变化曲线如图6所示．从图可知,该频选天线罩的传输曲线出现了明显的通带．通带频率范围约为0.9f0～1.08f0,相对带宽δ=18%,在截至频率0.5f0和1.5f0处,FSS天线罩截止率大于20 dB,达到了预期设计效果．天线罩带内插入损耗达到了0.9～1.1 dB,这是由石英玻璃布和泡沫的材料损耗带来的．降低蒙皮材料的损耗正切,可以提高天线罩带内透波特性;同时,FSS的通带相对带宽与设计值存在较小差异,主要是由各层FSS之间相互耦合带来的．图6还给出了在0°～45°入射时,FSS天线罩的透波曲线随入射角度的变化曲线．当电磁波的入射角度增大,TE波段的通带带宽变窄,带外截止特性变好;而TM波的通带带宽变宽,带外截止特性变差．(a) TE极化(a) TE polarization(b) TM极化(b) TM polarization图6 FSS天线罩的传输系数仿真结果Fig.6 Simulated transmission coefficient of FSS radome3 测试与验证为了进一步验证上述设计效果,设计制作了FSS图案,并采用天线罩一体化敷制成型工艺,加工了200 mm×200 mm的平面天线罩样件,如图7所示．该天线罩样件总厚度约为0.53λ0,与设计值(0.52λ0)非常接近,满足厚度误差要求．(a) FSS图案 (b) 天线罩样件(a) Patterns of FSS (b) Radome prototype图7 天线罩样实物照片Fig.7 Prototype of fabricated radome3.1 传输特性测试天线罩的传输性能测试在微波暗室内进行,测试原理图如图8所示．为了进一步消除背景的多路径反射、天线罩边缘绕射等影响,本次测试采用矢量网络分析仪的时域门测试技术,提高测试精度．采用上述方法测试得到的天线罩的法向传输特性曲线如图9所示．为了进行对比,利用滤波器电路计算的理论曲线和HFSS仿真曲线也一并给出．可以看出,测试结果与仿真曲线基本重合,二者与滤波器理论计算的传输系数曲线也基本一致,从而验证了设计方法的准确性．图8 传输系数测试原理框图Fig.8 Test diagram of transmission coefficient图9 天线罩样件传输系数测试结果Fig.9 Measured transmission coefficient of the radome3.2 电性能影响测试进一步采用某K波段阵列扫描天线测试了该天线罩对天线辐射性能的影响．图10为中心频点f0处,天线扫描角为0°、30°和45°的加罩前后的方向图对比曲线．由图可知,该K波段天线罩在扫描角为0°、30°和45°的主波束的插入损耗分别为1.18 dB、1.05 dB和1.12 dB,与仿真结果基本吻合．除损耗外,该天线罩对天线的波束宽度、副瓣以及方向图形状等天线电性能影响很小,达到了预期的设计结果．(a) 扫描角0°(a) Scan angle 0°(b) 扫描角30°(b) Scan angle 30°(c) 扫描角45°(c) Scan angle 45°图10 天线加罩前后的方向图测试结果对比Fig.10 Comparison of measured radiation pattern of antenna with and without the radome4 结论本文提出了一种基于滤波器电路理论设计多层FSS的方法．与传统FSS设计方法相比,可大幅提高多层FSS的设计效率,且设计结果比较准确,可减小优化工作量．文章给出了多层FSS的详细设计步骤,并完成了K波段带通型三层FSS设计和测试．测试结果进一步证明了该方法的可行性．该方法同样适用于其他滤波特性(低通、高通和带阻)的高阶FSS的设计,为高阶FSS的高效设计和分析提供了一种快速方法．下一步将基于实际应用,开展多层FSS的工程应用技术研究,如曲面共形FSS、低剖面FSS以及低损耗FSS技术研究．参考文献【相关文献】[1] MUNK B A. 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