什么是 Floquet? 广义的弗洛凯理论(Floquet theory)是常微分方程的一种,与周期系数有关,除了电磁场,其应用还包括固态物理、量子领域、宇宙学等。在电磁仿真中,Floquet 就成了端口激励,配合周期性的边界条件,用于研究周期性结构。
Floquet 端口与 waveguide 端口类似,都能求解反射和传输系数。不过两者有一些不同:
1)结果:用 Waveguide 端口激励得到的结果是 S11 和 S21,高次模是 S1(x), 1(x)和 S2(x),1(x),而Floquet 给出的结果是 SZmax(x),Zmin(x)和 SZmax(x),Zmax(x),其中 x 都是模数。所以可以看出 Floquet只有 Z 方向激励,而且是从 Z 方向的边界激励。而 waveguide 端口 XYZ 方向都可以。
2)边界:Waveguide 端口可以用 E 或 M 边界限制,从而手动形成具体的激励模式(假设端口激励整个空间),比如 X 方向为 E,Y 方向为 M,然后把端口放在 Zmax 或 Zmin,这样就和 Floquet 的基础模式等效,TE(0,0)或 TM(0,0)。而 Floquet 端口必须要求 XY 方向是 unit cell(为了 Floquet 算法),Z方向是 Open(add space) 或 Open。边界设置好之后,Floquet Boundaries 选项就可以点击了。
3)求解器:Waveguide 端口可用于 FIT,TLM,FEM,而 Floquet 只支持 FEM。
4)入射角:Waveguide 端口在 FIT 中需要和 XYZ 轴垂直,所以只能用于垂直入射。而 Floquet 端口在 FEM 中,入射角可以用参数 Theta/Phi 控制。
那么如何在 CST 中设置 Floquet 端口呢?可以通过 Template,选择周期结构,超材料-单元,可见推荐求解器是 F,就是 Floquet 端口,T 求解器只能用 waveguide 端口处置入射。
用模板的最大好处就是可以通过变量 Theta/Phi 对入射角进行控制,如下图所示。
Theta/Phi 的默认定义可以参考帮助文档,当不确定方向时,最好的办法就是加个场监视器看场传播。以 component library 中的 FSS ring resonator 为例,可以修改入射角并查看场视图,这里值得一提的是 unitcell 边界的场视图是 4 个单元图,如下图所示。
Floquet 端口的其他设置如下图:
1)Number of Floquet modes,默认是 2,就是两个基础模式,并且 Beta 和 Alpha 都在表格中自动算出。那很多初学者可能会问,这么多模式怎么用呢?简单回答就是适当多考虑几个模式。虽然两个基础模是重点关心的,但是电磁场在结构影响后,再传播抵达端口的电磁场会有高阶模混合在一起,而端口没有计算高阶模的话,是不会考虑高阶模的计算,处理和记录的。而且越高频,能传播的高阶模就越多。不过大部分高阶模是倏逝波(Evanescent wave),很可能抵达不了端口,所以说适当多考虑。
2)Distance to reference plane,用于 S 参数相位的调整,默认为零,正数是向外移,复数向内移。这个相当于 Z 方向的背景距离调整。这里可能有人会问,Z 方向垂直入射时相位调整好理解,如果入射有一定角度时,相位怎么理解呢?其实是一样的,因为是周期结构,可以想象成无限大的平面,所以相位就只和背景距离有关了。这里涉及到另一个问题,一般 Z 方向背景距离应该设置多少呢?如果是默认的 open (add space),背景距离是中心频率的 1/4 波长。用户可以改成 open,然后背景中手动定义距离,然后用这个 distance to reference plane 把相位结果调整到结构表面,这样的 S 参数结果就是结构本身的相位,排除背景。那为什么不把背景距离设置成零呢?设置为零就是 floquet 端口贴上了结构,
这种结构近场直接接触端口是需要尽量避免的,背景距离太小,结果不准,且一般都会报错。背景距离太大,还要考虑端口模式计算了多少,就是刚才的倏逝波问题,有的模式无法抵达端口,所以 Z 方向背景距离需要做个收敛分析,找个合适的距离计算。
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