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周期結構的有效仿真及其在天線罩設計中的應用
發布時間: 2022.05.31  點擊：3127 次

本(ben)文重點在于周期結(jie)構(gou)的有效(xiao)仿真(zhen)及其在天線罩設計中的應用。我(wo)們將討論從(cong)單(dan)個元素到有限陣列的工作(zuo)流(liu)程(cheng)，以及其有效(xiao)的仿真(zhen)方法。


周期結構—天線單元


周(zhou)期結構(gou)通(tong)常表(biao)現出有趣的電(dian)磁行為(wei)。超材料、人造磁性導體和頻率選(xuan)擇表(biao)面（FSS）是基于周(zhou)期結構(gou)應用(yong)的幾(ji)個例(li)子。FSS可作(zuo)為(wei)一種潛在的方(fang)法，用(yong)于獲得(de)天(tian)線(xian)應用(yong)的定制(zhi)頻率濾波天(tian)線(xian)罩。

CST Studio Suite 可以使用兩種通用方法處理周期結構。一個是應用本征模求解器，獲得標準結果，如色散圖，包括帶隙和光折線曲線。第二種方法則基于Floquet定理，其中“考慮并激發期望周期結構的不同”的所謂Floquet模式。CST Studio Suite發現Floquet模式和其他端口之間的傳輸和反射（激勵）存在于模型中。


單元天線仿真設置


為了開始FSS設計，我們考慮一個六邊形點陣的天線單元，它由一個金屬圓盤填充在中心，如圖1所示。它在CST Studio Suite中使用頻域解算器（F-Solver）和單元邊界條件（Floquet模式分析）進行模擬。單元結構借助于頻域解算器內提供的單元邊界條件，對有限陣列進行Floquet模式分析，正如單元天線的反射系數所示。

                                   圖 1. 有(you)限(xian)陣列Floquet模式分析圖


圖2.a)有一個頻率，即19.12GHz，其中場主要穿透周期結構，而在其他頻率有相對較大的反射。因此，可以確切地說，我們得到了一個帶通濾波器。



 圖2.a)基于不同入射角的無限陣列反射系數 b）單元天線透明和不透明頻率下的電場動圖

基于有限尺寸FSS的天線罩


雖然基于無限(xian)周期拓撲的(de)模擬始(shi)終是(shi)了(le)解(jie)FSS工作原理的(de)良好(hao)起點，但在有(you)限(xian)尺寸FSS天線(xian)罩的(de)假設下，應(ying)檢查其性能。圖3顯示了(le)從無限(xian)陣列(lie)到真(zhen)實(shi)天線(xian)罩結(jie)構的(de)完(wan)整(zheng)流(liu)程。


                                         圖3. 天線罩周期結構的設計和分析流程

三種模擬FSS天線罩的方法


這里出現的問題是：應該使用哪個解算器或材質模型？為了解決這個問題，本文將介紹以下三種方法：

第一種方法是使用全波解算器，包括天線罩和天線的所有幾何細節。雖然這種方法是最完整的方法，但它也是計算成本最高的方法。然而，CST Studio Suite提供了幾種加速模擬時間的方法，如GPU硬件加速、分布式計算、MPI等。

第二種方法是使用全波解算器，同時借助CST Studio Suite中稱為薄板材料的緊湊材料建模來表示天線罩。薄板材料將根據材料的堆疊層或散射矩陣數據進行定義。FSS的復雜幾何結構被連續且緊湊的表示材料所取代，這在計算上是有利的。需要注意的是，薄板是一種基于平面波和一個入射角（疊加類型為正入射，S矩陣類型由用戶定制）的近似模型。

第三種方法是將天線與天線罩模擬分離，在最合適的解算器中執行每種模擬，并通過場源建立這些模擬之間的鏈接。例如，這種混合解算器方法使我們能夠使用漸近解算器（A-Solver），其中基于光線跟蹤物理光學（PO）的算法用于模擬天線罩，而瞬態解算器用于模擬天線。這使得整個模擬的計算成本更低。此外，A-solver支持薄板材料，可以定義不同入射角下的菲涅耳反射和透射表。此功能提高了A-solver模擬的結果精度。
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