基于HFSS的频率选择表面设计与优化

作     者：朱家成 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李旭东;刘国汉

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：频率选择表面(FSS) 有限元法 双频段 大带宽 

摘      要：频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS),做为一种由谐振单元按周期性排列的方式组成的二维或三维结构,随着制造工艺的发展和计算机运算能力的提高,在航空航天、雷达以及卫星通讯等领域大放异彩,拥有巨大的应用价值。自上世纪60年代以来,不论是军事技术领域还是民用科技中都有它广泛的用途。随着专家学者们对频率选择表面研究的不断深入以及多种微波EDA软件的开发,影响FSS工作性能的众多因素也被一一发现,搭配上性能优良的计算机,越来越多的复杂FSS被设计出来。本文首先介绍了FSS的研究背景及意义,综合国内外的发展现状,引出其热门研究方向。然后在FSS理论以及分析方法的基础上,结合有限元电磁仿真软件HFSS,对影响FSS工作性能的各项因素方面进行了一系列研究。最后设计了三种不同特性的频率选择表面:两种双频段的频率选择表面和一种高频大带宽带通型频率选择表面。所设计的C/X双频带通型FSS结构经过参数优化后在C波段通带带宽达到了1.34GHz,相对带宽为19.2%;X波段通带带宽达到了0.66GHz,相对带宽为6.6%。两个通带的陡截止性和传输平坦度都比较优秀,带内插入损耗均控制在0.5d B内。该结构极化稳定性好,TE、TM极化波垂直入射时的频率响应曲线几乎一致。在角度稳定性方面,两个通带在入射角小于60°的范围内基本保持稳定。另一种双频带阻型FSS的两个初始谐振点分别为5.03GHz和7.33GHz,通过控制变量法研究了部分参数对该FSS性能的影响,并将两个谐振点调整至5GHz和7GHz附近。大带宽带通型FSS结构选用金属条带与正六边形金属贴片构成。该FSS结构单元尺寸很小,约为λ/10。对0°～45°入射的TE,TM极化波保持了良好的稳定性,中心频率最大偏移率为9.2%,绝对带宽达到14.9GHz,相对带宽达到67%,在保证双极化稳定性与角度稳定性的情况下获得了较大的通带带宽。