HFSS仿真軟件在電磁超表面太陽能光熱薄膜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

賈秀波

摘? 要：太陽能光熱應(yīng)用是利用太陽能最簡單、最直接、最有效的途徑之一，也是太陽能利用（尤其是發(fā)展中國家）的主要形式之一。目前，太陽能吸收體的吸收帶寬和吸收效率都有待進(jìn)一步提高。超表面具有可人為操控的電磁特性，通過改變超表面確切的尺寸、方向、布置和幾何形狀，可以在特定頻率范圍內(nèi)達(dá)到理想的吸收效果。因此，超表面在太陽能光熱方面有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。超表面的研究涉及多個(gè)學(xué)科的交叉，功能強(qiáng)大的仿真軟件顯得尤為重要。本文詳細(xì)介紹了一款常用的仿真軟件HFSS在電磁超表面太陽能光熱薄膜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：HFSS? 太陽能? 光熱? 超表面? 寬波段? 高吸收

中圖分類號：TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0051-04

Application of HFSS Simulation Software in the Design of Electromagnetic Metasurface Solar Photothermal

Thin Films

JIA Xiubo

（Hunan Vocational Institute of Technology， Hunan Engineering Laboratory? for? control and optimization of PV systems， Xiangtan， Hunan Province， 411100 China）

Abstract： Solar thermal application is one of the simplest， most direct and most effective ways to utilize solar energy， as well as one of the main forms of solar energy utilization （especially in developing countries）. At present， the absorption bandwidth and absorption efficiency of the solar energy absorber need to be further improved. Metasurface has manipulable electromagnetic properties that allow desired absorption over a specific frequency range by changing the exact size， orientation， arrangement， and geometry of the metasurface. Therefore， metasurface has important potential application value in solar thermal field. The research of metasurface involves many disciplines， so the powerful simulation software is particularly important. This paper introduces in detail the application of HFSS， a commonly used simulation software， in the design of electromagnetic metasurface solar photothermal film.

Key Words： HFSS; Solar; Optothermal; Metasurface; Broadband; High absorption

能源危機(jī)是目前人類無法回避且關(guān)系到人類命運(yùn)的世界性問題，化石能源終將耗盡枯竭，太陽能因其綠色環(huán)保、分布廣泛且取之不盡用之不竭而引起全世界研究人員的廣泛關(guān)注[1]。近幾年，太陽能的利用迅速提升。但它在能源利用總量中的占比仍然很少，主要由2個(gè)因素導(dǎo)致：一是太陽能利用效率低;二是存儲困難。太陽能吸收體的吸收帶寬和吸收效率直接影響太陽能的利用率。超材料是一種具有自然界物質(zhì)所沒有的特殊性質(zhì)的人造材料，利用金屬線圈、導(dǎo)線、開口環(huán)式諧振器等人為創(chuàng)造電場及磁場的反應(yīng)。它們確切的幾何形狀、尺寸、方向和布置使其具有特殊的電磁特性，如復(fù)介電常數(shù)、漸逝波放大、負(fù)折射率和復(fù)磁性等。正是因?yàn)槌牧系男再|(zhì)不是由構(gòu)成的材料決定的，而是取決于人工結(jié)構(gòu)，所以在人為設(shè)計(jì)、控制的情況下，就能以全新的方式對光進(jìn)行操控。人們通過設(shè)計(jì)優(yōu)化復(fù)合單元組成的超材料，在微波、太赫茲、紅外和可見光系統(tǒng)電磁領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用[2-6]。近年來，超材料理論得到了實(shí)踐驗(yàn)證，因此應(yīng)用更加廣泛。

隨著超材料的發(fā)展，科學(xué)家又開始進(jìn)一步研究超表面。電磁超表面是指厚度小于波長厚度的1/10的電磁超材料[7]。換言之，常規(guī)的超材料為3D的，而超表面可以認(rèn)為是2D的。

超表面的研究涉及多個(gè)學(xué)科知識的交叉，因此功能強(qiáng)大的仿真軟件顯得尤為重要。目前商業(yè)化的電磁仿真軟件，主要有CST MICROWAVE STUDIO（CST MWS，即：CST微波工作室）、HFSS（High Frequency Structure Simulator）、COMSOL Multiphysics等。其中HFSS是世界首款商業(yè)化的三維電磁仿真軟件，經(jīng)過20多年的發(fā)展，HFSS憑借其自動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)和復(fù)雜的求解器，表現(xiàn)出超高的分析速度和穩(wěn)定性。本文詳細(xì)介紹了HFSS仿真軟件在電磁超表面太陽能光熱薄膜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1? 太陽光譜

太陽光譜是一種不同波長的吸收光譜，分為可見光與不可見光兩部分?？梢姽獾牟ㄩL為400～760nm。不可見光，又分為兩種：位于紅光之外區(qū)的叫紅外線，波長大于760nm，最長達(dá)5300nm;位于紫光之外區(qū)的叫紫外線，波長290～400nm。太陽電磁輻射中99.9%的能量集中在紫外區(qū)、可見光區(qū)和紅外區(qū)。太陽輻射主要集中在可見光部分（400～760nm），波長大于可見光的紅外線（>760nm）和小于可見光的紫外線（<400nm）的部分上。

圖1采集了不同地區(qū)的太陽光譜。其中曲線1為玉龍雪山（27.10°N，100.09°E）4650m海拔處采集的直射太陽光譜曲線，曲線2為大氣上界直射太陽光譜，曲線3為2006年10月22日麗江（25.59°N，99.23°E）的太陽直射光譜，曲線4為2006年9月5日成都（30.63°N，104.09°E）地區(qū)的太陽直射光譜[8]。從4條曲線可以看出，大氣上層的太陽光譜和地表的太陽光譜相差較大。在地表處，太陽能光譜主要集中在500～700nm。頻率集中在428～600THz之間。由于太陽能吸收體多在地表處工作，所以電磁超表面的設(shè)計(jì)著重討論這個(gè)頻譜范圍內(nèi)的太陽能吸收體的吸收效果。

2? 電磁超表面

目前所說的超材料、超表面是一種人造材料。在1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家理論分析了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值的介質(zhì)中的電磁波傳播特性，得到一種與常規(guī)材料不同的負(fù)折射現(xiàn)象。1998年，倫敦帝國理工學(xué)院Pendry教授提出用金屬短桿和諧振環(huán)兩種人工金屬結(jié)構(gòu)可以分別實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為負(fù)。隨后，美國杜克大學(xué)Smith教授將二者結(jié)合構(gòu)造左手材料，并首次實(shí)驗(yàn)演示了微波段的負(fù)折射現(xiàn)象[9]。自此以后，人們將這種具有特殊電磁特性的人工結(jié)構(gòu)稱為超材料。

與傳統(tǒng)材料不相同的是，它們確切的幾何形狀、尺寸、方向和布置使其可以呈現(xiàn)自然界中的材料沒有的電磁特性。典型的超材料包括“光子晶體”“超磁性材料”“左手材料”等。正是由于超材料的這些特性，可以根據(jù)人為需要，創(chuàng)造多種不同尋常的光學(xué)效果，例如負(fù)折射、相位全相片、超級透鏡等。近年來，超材料從理論不斷完善實(shí)踐，得到了廣泛的應(yīng)用。由于三維超材料理論分析復(fù)雜且實(shí)驗(yàn)制備難度大，隨著人們對超材料認(rèn)識的不斷加深，科學(xué)家又開始進(jìn)一步提出二維超材料即超表面。它是由很多小散射體或者孔組成的平面結(jié)構(gòu)，其厚度小于其工作的波長。電磁波相位、極化方式、傳播模式等特性都可以通過超表面的設(shè)計(jì)而靈活有效地得到調(diào)控。

3? 電磁仿真原理概述和HFSS仿真軟件介紹

麥克斯韋方程組是解決電磁問題及電磁仿真方法的理論基礎(chǔ)。電磁場的數(shù)值分析法是通過把麥克斯韋方程組離散化處理，再通過計(jì)算機(jī)對經(jīng)過離散化后的數(shù)據(jù)求解，最終達(dá)到模擬仿真的目的。這種方法是將邊值問題轉(zhuǎn)化為泛函變分問題，通過數(shù)值劃分，把問題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為多元極值問題，其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。HFSS是一款三維電磁仿真軟件，用于設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品，如天線、射頻和微波元件、濾波器、連接器等。該軟件采用有限元法。有限元法就是將麥克斯韋方程組轉(zhuǎn)化為求解泛函變分表達(dá)形式，是目前主要的分析方法之一。

4? HFSS建模仿真

使用HFSS進(jìn)行基于電磁超表面的寬帶太陽能吸收體模型設(shè)計(jì)的主要流程如下。

（1）運(yùn)行HFSS并新建工程，并保存該工程文件，如另存為SolarAbsorber。選擇求解類型，在主菜單欄中選擇Solution Type，選中Driven Modal求解類型。緊接著設(shè)置默認(rèn)長度單位。由于仿真光波段吸收，這里選擇nm作為默認(rèn)長度單位。

（2）創(chuàng)建太陽能吸收體模型。吸收體的仿真模型主要分為3個(gè)部分：第一部分在最底層，是底板;第二部分為中間層;第三部分在上層，是諧振器，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選擇不同形狀的諧振器。

（3）創(chuàng)建單元結(jié)構(gòu)模型，從主菜單欄中選擇Box，進(jìn)入創(chuàng)建工作狀態(tài)，創(chuàng)建長方體后。通過這項(xiàng)操作，可以按照自己的設(shè)計(jì)和模型分別畫出模型的各個(gè)部分，最后將它們組合起來，即可得到想要設(shè)計(jì)的模型。幾何模型建立后，需要給各個(gè)不同幾何模型設(shè)置材料電磁參數(shù)。由于軟件材料庫中只提供了微波段常用材料的電磁參數(shù)，因此光波段的材料參數(shù)需要將實(shí)驗(yàn)測量得到的折射率參數(shù)轉(zhuǎn)化成介電常數(shù)和介電損耗角正切值，然后再導(dǎo)入到軟件材料庫中。

（4）設(shè)置波端口激勵(lì)和邊界條件。波端口激勵(lì)和邊界條件的設(shè)置是整個(gè)模型設(shè)置的難點(diǎn)和重點(diǎn)。為了模擬太陽光以不同角度入射到超材料，這里通常需要聯(lián)合使用Floquet Port和Master/Slave Boundary作為激勵(lì)源和邊界條件，通過選擇該激勵(lì)源的極化態(tài)來模擬入射太陽光的偏振態(tài)，通過改變Slave Boundary中的Phase Delay來改變?nèi)肷浣恰?/p>

（5）分析求解設(shè)置。在工作界面左側(cè)的工程管理窗口選中Analysis節(jié)點(diǎn)，單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中點(diǎn)擊【Add Solution Setup】，添加求解設(shè)置，設(shè)置好求解頻率和自適應(yīng)網(wǎng)格加密的最大次數(shù)及收斂條件。其次添加掃頻設(shè)置，展開Analysis節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊添加的Setup1求解設(shè)置項(xiàng)，在彈出的菜單中選擇【Add Frequency Sweep】，根據(jù)所關(guān)注的太陽光頻段添加掃描頻率范圍和間隔。

（6）查看分析結(jié)果，右鍵單擊工程管理窗口中的Results項(xiàng)，在彈出的菜單中選擇【Creat Modal Solution Data Report】并選擇【Rectangular Plot】，通過添加新變量來計(jì)算確定該超表面吸收了電磁波的百分比。此外，還可以通過改變超表面的某些特征幾何參數(shù)，計(jì)算分析該參數(shù)對超表面吸收譜的影響規(guī)律。

5? 結(jié)語

電磁超表面太陽能光熱薄膜的研究涉及多學(xué)科交叉，包括經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、光電子學(xué)等。功能強(qiáng)大的仿真軟件，才能保證設(shè)計(jì)的正常開展。隨著該項(xiàng)研究的不斷深入，仿真軟件也在不斷地升級更新。

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