螺旋結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2016-12-11  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1. 引言

吸波材料不斷向著“薄、輕、強(qiáng)”的方向發(fā)展,低反射超寬頻帶的吸波材料成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)。自從1989年J. C. Chunder進(jìn)行螺旋結(jié)構(gòu)研究以來,國內(nèi)外很多高校和研究機(jī)構(gòu)在螺旋結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)的研究方面也取得 了一定的成果。

2. 螺旋結(jié)構(gòu)吸波的理論分析

手性材料是一種幾何上的概念,物體在空間經(jīng)過任何旋轉(zhuǎn)都不能與其鏡像相重合的結(jié)構(gòu)材料。與普通材料相比,螺旋結(jié)構(gòu)對通過其的電磁波存在兩種相互作用。一 種是由于螺旋結(jié)構(gòu)的材料電磁參數(shù)所體現(xiàn)的對電磁波的吸收作用;另一種是由于螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)交叉極化作用實(shí)現(xiàn)對電磁的吸收。在螺旋結(jié)構(gòu)中電磁場之間的本構(gòu)關(guān)系表示為:

(1)

式(1)中,ε,μ和ξ 分別為材料的相對介電常數(shù),相對磁導(dǎo)率和螺旋結(jié)構(gòu)的手性參數(shù)。

對于厚度為 d 的手性吸波材料,反射系數(shù)可以由式(2)表示:

(2)

式(2)中,Z 為材料的阻抗。可以由式(3)表示:

(3)

式(3)中,,,d 為手性材料的厚度,η為本征波阻抗。從式(3)可以發(fā)現(xiàn),對于手性材料而言,材料的反射系數(shù)與其手性參數(shù)有關(guān)。如果合理控制螺旋結(jié)構(gòu)的手性 參數(shù)可以提高螺旋結(jié)構(gòu)的吸波性能。而且研究發(fā)現(xiàn),對于螺旋結(jié)構(gòu)的手性材料,手性參數(shù)的大小與螺旋半徑和螺旋的旋間距的比值有關(guān)。

3. 仿真計(jì)算

在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算之前,首先對螺旋結(jié)構(gòu)的吸波性能進(jìn)行研究,仿真計(jì)算了雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型如圖1所示。螺旋結(jié)構(gòu)的半徑為0.3mm、旋間距為0.7mm,其下面放有0.5mm×0.5mm的正方形全反射板;螺旋結(jié)構(gòu)材料的電磁參數(shù)為:相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率為1,介質(zhì)損耗角正切和磁損耗角正切為0,材料的電導(dǎo)率為10S/m。

圖 1 立體雙螺旋結(jié)構(gòu)

對上面的結(jié)構(gòu)單元利用電磁仿真軟件CST進(jìn)行仿真計(jì)算,得到螺旋結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)如圖2所示。

圖 2 雙螺旋結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)

從圖2中的反射系數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn),螺旋結(jié)構(gòu)單元的反射系數(shù)很大,與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道中的螺旋結(jié)構(gòu)有很好的吸波性能的說法有很大的差距。為了驗(yàn)證螺旋結(jié)構(gòu)的吸波性能,對螺旋結(jié)構(gòu)周圍的電場進(jìn)行分析,得到螺旋結(jié)構(gòu)周圍電場的分布如圖3所示。

圖 3 雙螺旋結(jié)構(gòu)周圍的電場分布

從圖3可知,螺旋結(jié)構(gòu)周圍的電場與其他位置的電場相比有很大的衰減,說明螺旋結(jié)構(gòu)對通過自己的電磁波有很強(qiáng)的吸收,但是圖2中的反射系數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果比較大。于是對圖1中的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)反射系數(shù)很大的主要原因是由于螺旋結(jié)構(gòu)不能很好覆蓋其下面的全反射板,全反射板的強(qiáng)反射作用使得反射系數(shù)增大。

為了改進(jìn)圖1中的螺旋結(jié)構(gòu)單元中存在的缺點(diǎn),在新建立的結(jié)構(gòu)單元中,利用一個(gè)中心掏空的立方體放置在螺旋結(jié)構(gòu)單元的外面,解決由于全反射板的反射作用對反射系數(shù)的影響,改進(jìn)的螺旋結(jié)構(gòu)單元模型如圖 4 所示。

圖 4 外面放置立方體結(jié)構(gòu)的 螺旋結(jié)構(gòu)模型

圖4與圖1中螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)相同,唯一的區(qū)別是在圖4的模型外面放置了一定大小的正方形盒子,利用仿真計(jì)算軟件CST對上面的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算。同時(shí)為了驗(yàn)證建立的螺旋結(jié)構(gòu)的吸波效果,對與圖4中的螺旋結(jié)構(gòu)大小和材料相同的立方體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行仿真計(jì)算。對兩種情況的結(jié)構(gòu)單元的反射系數(shù)進(jìn)行比較,如圖5所示。

圖 5 雙螺旋結(jié)構(gòu)與吸波材料反射系數(shù)的比較

從圖5可以發(fā)現(xiàn),由螺旋結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)單元的反射系數(shù)比完全由吸波材料組成的結(jié)構(gòu)單元的反射系數(shù)平均有2dB的差值。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是由于螺旋結(jié)構(gòu)的交叉極化作用對電磁波的強(qiáng)吸收使得反射系數(shù)相對減小。

根據(jù)前面的理論分析,可知螺旋結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)與螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。為設(shè)計(jì)吸波性能更好的螺旋結(jié)構(gòu)單元,對螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化的過程中,以圖4中的螺旋結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),優(yōu)化的變量是螺旋結(jié)構(gòu)的半徑和螺旋結(jié)構(gòu)的旋間距的比值,優(yōu)化變量的范圍是[0.1,0.23]。優(yōu)化主要是利用Matlab軟件編寫的腳本命令和遺傳優(yōu)化算法相結(jié)合建立的優(yōu)化系統(tǒng)對上面的螺旋結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果如圖6所示。

圖 6 不同螺旋半徑與螺旋的旋間距比值的情況下的反射系數(shù)的比較

從圖6所示的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)螺旋半徑與螺旋的旋間距比值為0.15時(shí),相對其他比值情況反射系數(shù)比較小,而且在2~18GHz 范圍內(nèi),反射系數(shù)小于-5dB的帶寬接近10GHz。這主要是由于當(dāng)螺旋半徑與螺旋的旋間距的比值為0.15時(shí)螺旋結(jié)構(gòu)的手性參數(shù)最大。此時(shí)由于交叉極化作用對電磁波的吸收最強(qiáng),結(jié)構(gòu)對電磁波的交叉極化的吸收最大,所以反射系數(shù)比較小,而且?guī)挶容^寬。

4 . 結(jié)論

通過對螺旋結(jié)構(gòu)周圍電場分布的分析,對原有的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的螺旋結(jié)構(gòu)的吸波效果好于同樣大小和材料的整塊材料。利用優(yōu)化系統(tǒng)對改進(jìn)的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明,當(dāng)螺旋半徑與螺旋的旋間距比值為0.15時(shí),在2~18GHz的頻帶內(nèi), 反射系數(shù)小于-5dB衰減的帶寬達(dá)到10GHz。

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