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摘 要：太阳能光热应用是利用太阳能最简单、最直接、最有效的途径之一，也是太阳能利用（尤其是发展中国家）的主要形式之一。目前，太阳能吸收体的吸收带宽和吸收效率都有待进一步提高。超表面具有可人为操控的电磁特性，通过改变超表面确切的尺寸、方向、布置和几何形状，可以在特定频率范围内达到理想的吸收效果。因此，超表面在太阳能光热方面有着重要的潜在应用价值。超表面的研究涉及多个学科的交叉，功能强大的仿真软件显得尤为重要。本文详细介绍了一款常用的仿真软件HFSS在电磁超表面太阳能光热薄膜设计中的应用。
关键词：HFSS 太阳能 光热 超表面 宽波段 高吸收
中图分类号：TK513 文献标识码：A 文章编号：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
能源危機是目前人类无法回避且关系到人类命运的世界性问题，化石能源终将耗尽枯竭，太阳能因其绿色环保、分布广泛且取之不尽用之不竭而引起全世界研究人员的广泛关注[1]。近几年，太阳能的利用迅速提升。但它在能源利用总量中的占比仍然很少，主要由2个因素导致：一是太阳能利用效率低;二是存储困难。太阳能吸收体的吸收带宽和吸收效率直接影响太阳能的利用率。超材料是一种具有自然界物质所没有的特殊性质的人造材料，利用金属线圈、导线、开口环式谐振器等人为创造电场及磁场的反应。它们确切的几何形状、尺寸、方向和布置使其具有特殊的电磁特性，如复介电常数、渐逝波放大、负折射率和复磁性等。正是因为超材料的性质不是由构成的材料决定的，而是取决于人工结构，所以在人为设计、控制的情况下，就能以全新的方式对光进行操控。人们通过设计优化复合单元组成的超材料，在微波、太赫兹、红外和可见光系统电磁领域内取得了广泛的应用[2-6]。近年来，超材料理论得到了实践验证，因此应用更加广泛。
随着超材料的发展，科学家又开始进一步研究超表面。电磁超表面是指厚度小于波长厚度的1/10的电磁超材料[7]。换言之，常规的超材料为3D的，而超表面可以认为是2D的。
超表面的研究涉及多个学科知识的交叉，因此功能强大的仿真软件显得尤为重要。目前商业化的电磁仿真软件，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是世界首款商业化的三维电磁仿真软件，经过20多年的发展，HFSS凭借其自动自适应网格技术和复杂的求解器，表现出超高的分析速度和稳定性。本文详细介绍了HFSS仿真软件在电磁超表面太阳能光热薄膜设计中的应用。 1 太阳光谱
太阳光谱是一种不同波长的吸收光谱，分为可见光与不可见光两部分。可见光的波长为400～760nm。不可见光，又分为两种：位于红光之外区的叫红外线，波长大于760nm，最长达5300nm;位于紫光之外区的叫紫外线，波长290～400nm。太阳电磁辐射中99.9%的能量集中在紫外区、可见光区和红外区。太阳辐射主要集中在可见光部分（400～760nm），波长大于可见光的红外线（>760nm）和小于可见光的紫外线（<400nm）的部分上。
图1采集了不同地区的太阳光谱。其中曲线1为玉龙雪山（27.10°N，100.09°E）4650m海拔处采集的直射太阳光谱曲线，曲线2为大气上界直射太阳光谱，曲线3为2006年10月22日丽江（25.59°N，99.23°E）的太阳直射光谱，曲线4为2006年9月5日成都（30.63°N，104.09°E）地区的太阳直射光谱[8]。从4条曲线可以看出，大气上层的太阳光谱和地表的太阳光谱相差较大。在地表处，太阳能光谱主要集中在500～700nm。频率集中在428～600THz之间。由于太阳能吸收体多在地表处工作，所以电磁超表面的设计着重讨论这个频谱范围内的太阳能吸收体的吸收效果。
2 电磁超表面
目前所说的超材料、超表面是一种人造材料。在1968年，前苏联物理学家理论分析了介电常数和磁导率都为负值的介质中的电磁波传播特性，得到一种与常规材料不同的负折射现象。1998年，伦敦帝国理工学院Pendry教授提出用金属短杆和谐振环两种人工金属结构可以分别实现介电常数和磁导率为负。随后，美国杜克大学Smith教授将二者结合构造左手材料，并首次实验演示了微波段的负折射现象[9]。自此以后，人们将这种具有特殊电磁特性的人工结构称为超材料。
与传统材料不相同的是，它们确切的几何形状、尺寸、方向和布置使其可以呈现自然界中的材料没有的电磁特性。典型的超材料包括“光子晶体”“超磁性材料”“左手材料”等。正是由于超材料的这些特性，可以根据人为需要，创造多种不同寻常的光学效果，例如负折射、相位全相片、超级透镜等。近年来，超材料从理论不断完善实践，得到了广泛的应用。由于三维超材料理论分析复杂且实验制备难度大，随着人们对超材料认识的不断加深，科学家又开始进一步提出二维超材料即超表面。它是由很多小散射体或者孔组成的平面结构，其厚度小于其工作的波长。电磁波相位、极化方式、传播模式等特性都可以通过超表面的设计而灵活有效地得到调控。
3 电磁仿真原理概述和HFSS仿真软件介绍
麦克斯韦方程组是解决电磁问题及电磁仿真方法的理论基础。电磁场的数值分析法是通过把麦克斯韦方程组离散化处理，再通过计算机对经过离散化后的数据求解，最终达到模拟仿真的目的。这种方法是将边值问题转化为泛函变分问题，通过数值划分，把问题进一步转化为多元极值问题，其计算结果准确可靠。HFSS是一款三维电磁仿真软件，用于设计和仿真高频电子产品，如天线、射频和微波元件、滤波器、连接器等。该软件采用有限元法。有限元法就是将麦克斯韦方程组转化为求解泛函变分表达形式，是目前主要的分析方法之一。
4 HFSS建模仿真
使用HFSS进行基于电磁超表面的宽带太阳能吸收体模型设计的主要流程如下。
（1）运行HFSS并新建工程，并保存该工程文件，如另存为SolarAbsorber。选择求解类型，在主菜单栏中选择Solution Type，选中Driven Modal求解类型。紧接着设置默认长度单位。由于仿真光波段吸收，这里选择nm作为默认长度单位。
（2）创建太阳能吸收体模型。吸收体的仿真模型主要分为3个部分：第一部分在最底层，是底板;第二部分为中间层;第三部分在上层，是谐振器，根据设计需要，选择不同形状的谐振器。
（3）创建单元结构模型，从主菜单栏中选择Box，进入创建工作状态，创建长方体后。通过这项操作，可以按照自己的设计和模型分别画出模型的各个部分，最后将它们组合起来，即可得到想要设计的模型。几何模型建立后，需要给各个不同几何模型设置材料电磁参数。由于软件材料库中只提供了微波段常用材料的电磁参数，因此光波段的材料参数需要将实验测量得到的折射率参数转化成介电常数和介电损耗角正切值，然后再导入到软件材料库中。
（4）设置波端口激励和边界条件。波端口激励和边界条件的设置是整个模型设置的难点和重点。为了模拟太阳光以不同角度入射到超材料，这里通常需要联合使用Floquet Port和Master/Slave Boundary作为激励源和边界条件，通过选择该激励源的极化态来模拟入射太阳光的偏振态，通过改变Slave Boundary中的Phase Delay來改变入射角。
（5）分析求解设置。在工作界面左侧的工程管理窗口选中Analysis节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中点击【Add Solution Setup】，添加求解设置，设置好求解频率和自适应网格加密的最大次数及收敛条件。其次添加扫频设置，展开Analysis节点，右键单击添加的Setup1求解设置项，在弹出的菜单中选择【Add Frequency Sweep】，根据所关注的太阳光频段添加扫描频率范围和间隔。
（6）查看分析结果，右键单击工程管理窗口中的Results项，在弹出的菜单中选择【Creat Modal Solution Data Report】并选择【Rectangular Plot】，通过添加新变量来计算确定该超表面吸收了电磁波的百分比。此外，还可以通过改变超表面的某些特征几何参数，计算分析该参数对超表面吸收谱的影响规律。
5 结语
电磁超表面太阳能光热薄膜的研究涉及多学科交叉，包括经典光学、材料科学、光电子学等。功能强大的仿真软件，才能保证设计的正常开展。随着该项研究的不断深入，仿真软件也在不断地升级更新。
参考文献
[1] S. V. Boriskina， H. Ghasemi and Gang Chen. Plasmonic materials for energy： From physics to applications. Materials Today，2013，16（10）：375-386.
[2] J. Tang， X. Zhongyin， X. Kaikai， et al.Ultrathin and broadband metamaterial absorber based on new four L structure in infrared and visible region[M].Progress in Electromagnetic Research Symposium （PIERS） ，2016：3088-3091.
[3] A. K. Azad， W. Kort-Kamp， M. Sykora， et al.Metasurface broadband solar absorber[J].Sci. Rep，2016，6：20347.
[4] 佟艳群，汪诗妍，宋效先，等.基于超材料的多频带可调谐太赫兹吸收器[J].红外与毫米波学报，2020，6（39）：735-741.
[5] 江孝伟，武华.吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器[J].物理学报，2021，2（20）：027804-1-027804-8.
[6] 王杨，轩雪飞，朱路，等.宽波段高吸收的多层齿轮形超材料吸收器设计[J].光学学报，2021，41（18）：1823001.
[7] 李玲.超宽带中红外超材料吸收器的光学性能研究[D].成都：四川师范大学，2020.
[8] 曹婷婷，罗时荣，赵晓艳，等.太阳直射光谱和天空光谱的测量与分析[J].物理学报，2007（9）：5554-5557.
[9] 李扬.物质输运超材料的理论研究与功能设计[D].北京：北京科技大学，2021.
关键词：HFSS 太阳能 光热 超表面 宽波段 高吸收
中图分类号：TK513 文献标识码：A 文章编号：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
能源危機是目前人类无法回避且关系到人类命运的世界性问题，化石能源终将耗尽枯竭，太阳能因其绿色环保、分布广泛且取之不尽用之不竭而引起全世界研究人员的广泛关注[1]。近几年，太阳能的利用迅速提升。但它在能源利用总量中的占比仍然很少，主要由2个因素导致：一是太阳能利用效率低;二是存储困难。太阳能吸收体的吸收带宽和吸收效率直接影响太阳能的利用率。超材料是一种具有自然界物质所没有的特殊性质的人造材料，利用金属线圈、导线、开口环式谐振器等人为创造电场及磁场的反应。它们确切的几何形状、尺寸、方向和布置使其具有特殊的电磁特性，如复介电常数、渐逝波放大、负折射率和复磁性等。正是因为超材料的性质不是由构成的材料决定的，而是取决于人工结构，所以在人为设计、控制的情况下，就能以全新的方式对光进行操控。人们通过设计优化复合单元组成的超材料，在微波、太赫兹、红外和可见光系统电磁领域内取得了广泛的应用[2-6]。近年来，超材料理论得到了实践验证，因此应用更加广泛。
随着超材料的发展，科学家又开始进一步研究超表面。电磁超表面是指厚度小于波长厚度的1/10的电磁超材料[7]。换言之，常规的超材料为3D的，而超表面可以认为是2D的。
超表面的研究涉及多个学科知识的交叉，因此功能强大的仿真软件显得尤为重要。目前商业化的电磁仿真软件，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是世界首款商业化的三维电磁仿真软件，经过20多年的发展，HFSS凭借其自动自适应网格技术和复杂的求解器，表现出超高的分析速度和稳定性。本文详细介绍了HFSS仿真软件在电磁超表面太阳能光热薄膜设计中的应用。 1 太阳光谱
太阳光谱是一种不同波长的吸收光谱，分为可见光与不可见光两部分。可见光的波长为400～760nm。不可见光，又分为两种：位于红光之外区的叫红外线，波长大于760nm，最长达5300nm;位于紫光之外区的叫紫外线，波长290～400nm。太阳电磁辐射中99.9%的能量集中在紫外区、可见光区和红外区。太阳辐射主要集中在可见光部分（400～760nm），波长大于可见光的红外线（>760nm）和小于可见光的紫外线（<400nm）的部分上。
图1采集了不同地区的太阳光谱。其中曲线1为玉龙雪山（27.10°N，100.09°E）4650m海拔处采集的直射太阳光谱曲线，曲线2为大气上界直射太阳光谱，曲线3为2006年10月22日丽江（25.59°N，99.23°E）的太阳直射光谱，曲线4为2006年9月5日成都（30.63°N，104.09°E）地区的太阳直射光谱[8]。从4条曲线可以看出，大气上层的太阳光谱和地表的太阳光谱相差较大。在地表处，太阳能光谱主要集中在500～700nm。频率集中在428～600THz之间。由于太阳能吸收体多在地表处工作，所以电磁超表面的设计着重讨论这个频谱范围内的太阳能吸收体的吸收效果。
2 电磁超表面
目前所说的超材料、超表面是一种人造材料。在1968年，前苏联物理学家理论分析了介电常数和磁导率都为负值的介质中的电磁波传播特性，得到一种与常规材料不同的负折射现象。1998年，伦敦帝国理工学院Pendry教授提出用金属短杆和谐振环两种人工金属结构可以分别实现介电常数和磁导率为负。随后，美国杜克大学Smith教授将二者结合构造左手材料，并首次实验演示了微波段的负折射现象[9]。自此以后，人们将这种具有特殊电磁特性的人工结构称为超材料。
与传统材料不相同的是，它们确切的几何形状、尺寸、方向和布置使其可以呈现自然界中的材料没有的电磁特性。典型的超材料包括“光子晶体”“超磁性材料”“左手材料”等。正是由于超材料的这些特性，可以根据人为需要，创造多种不同寻常的光学效果，例如负折射、相位全相片、超级透镜等。近年来，超材料从理论不断完善实践，得到了广泛的应用。由于三维超材料理论分析复杂且实验制备难度大，随着人们对超材料认识的不断加深，科学家又开始进一步提出二维超材料即超表面。它是由很多小散射体或者孔组成的平面结构，其厚度小于其工作的波长。电磁波相位、极化方式、传播模式等特性都可以通过超表面的设计而灵活有效地得到调控。
3 电磁仿真原理概述和HFSS仿真软件介绍
麦克斯韦方程组是解决电磁问题及电磁仿真方法的理论基础。电磁场的数值分析法是通过把麦克斯韦方程组离散化处理，再通过计算机对经过离散化后的数据求解，最终达到模拟仿真的目的。这种方法是将边值问题转化为泛函变分问题，通过数值划分，把问题进一步转化为多元极值问题，其计算结果准确可靠。HFSS是一款三维电磁仿真软件，用于设计和仿真高频电子产品，如天线、射频和微波元件、滤波器、连接器等。该软件采用有限元法。有限元法就是将麦克斯韦方程组转化为求解泛函变分表达形式，是目前主要的分析方法之一。
4 HFSS建模仿真
使用HFSS进行基于电磁超表面的宽带太阳能吸收体模型设计的主要流程如下。
（1）运行HFSS并新建工程，并保存该工程文件，如另存为SolarAbsorber。选择求解类型，在主菜单栏中选择Solution Type，选中Driven Modal求解类型。紧接着设置默认长度单位。由于仿真光波段吸收，这里选择nm作为默认长度单位。
（2）创建太阳能吸收体模型。吸收体的仿真模型主要分为3个部分：第一部分在最底层，是底板;第二部分为中间层;第三部分在上层，是谐振器，根据设计需要，选择不同形状的谐振器。
（3）创建单元结构模型，从主菜单栏中选择Box，进入创建工作状态，创建长方体后。通过这项操作，可以按照自己的设计和模型分别画出模型的各个部分，最后将它们组合起来，即可得到想要设计的模型。几何模型建立后，需要给各个不同几何模型设置材料电磁参数。由于软件材料库中只提供了微波段常用材料的电磁参数，因此光波段的材料参数需要将实验测量得到的折射率参数转化成介电常数和介电损耗角正切值，然后再导入到软件材料库中。
（4）设置波端口激励和边界条件。波端口激励和边界条件的设置是整个模型设置的难点和重点。为了模拟太阳光以不同角度入射到超材料，这里通常需要联合使用Floquet Port和Master/Slave Boundary作为激励源和边界条件，通过选择该激励源的极化态来模拟入射太阳光的偏振态，通过改变Slave Boundary中的Phase Delay來改变入射角。
（5）分析求解设置。在工作界面左侧的工程管理窗口选中Analysis节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中点击【Add Solution Setup】，添加求解设置，设置好求解频率和自适应网格加密的最大次数及收敛条件。其次添加扫频设置，展开Analysis节点，右键单击添加的Setup1求解设置项，在弹出的菜单中选择【Add Frequency Sweep】，根据所关注的太阳光频段添加扫描频率范围和间隔。
（6）查看分析结果，右键单击工程管理窗口中的Results项，在弹出的菜单中选择【Creat Modal Solution Data Report】并选择【Rectangular Plot】，通过添加新变量来计算确定该超表面吸收了电磁波的百分比。此外，还可以通过改变超表面的某些特征几何参数，计算分析该参数对超表面吸收谱的影响规律。
5 结语
电磁超表面太阳能光热薄膜的研究涉及多学科交叉，包括经典光学、材料科学、光电子学等。功能强大的仿真软件，才能保证设计的正常开展。随着该项研究的不断深入，仿真软件也在不断地升级更新。
参考文献
[1] S. V. Boriskina， H. Ghasemi and Gang Chen. Plasmonic materials for energy： From physics to applications. Materials Today，2013，16（10）：375-386.
[2] J. Tang， X. Zhongyin， X. Kaikai， et al.Ultrathin and broadband metamaterial absorber based on new four L structure in infrared and visible region[M].Progress in Electromagnetic Research Symposium （PIERS） ，2016：3088-3091.
[3] A. K. Azad， W. Kort-Kamp， M. Sykora， et al.Metasurface broadband solar absorber[J].Sci. Rep，2016，6：20347.
[4] 佟艳群，汪诗妍，宋效先，等.基于超材料的多频带可调谐太赫兹吸收器[J].红外与毫米波学报，2020，6（39）：735-741.
[5] 江孝伟，武华.吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器[J].物理学报，2021，2（20）：027804-1-027804-8.
[6] 王杨，轩雪飞，朱路，等.宽波段高吸收的多层齿轮形超材料吸收器设计[J].光学学报，2021，41（18）：1823001.
[7] 李玲.超宽带中红外超材料吸收器的光学性能研究[D].成都：四川师范大学，2020.
[8] 曹婷婷，罗时荣，赵晓艳，等.太阳直射光谱和天空光谱的测量与分析[J].物理学报，2007（9）：5554-5557.
[9] 李扬.物质输运超材料的理论研究与功能设计[D].北京：北京科技大学，2021.