搜索螺旋结构人工电磁媒质的优化设计
2016-12-11 by:CAE仿真在线 来源:互联网
1. 引言
吸波材料不断向着“薄、轻、强”的方向发展,低反射超宽频带的吸波材料成为当今研究的重点。自从1989年J. C. Chunder进行螺旋结构研究以来,国内外很多高校和研究机构在螺旋结构人工电磁媒质的研究方面也取得 了一定的成果。
2. 螺旋结构吸波的理论分析
手性材料是一种几何上的概念,物体在空间经过任何旋转都不能与其镜像相重合的结构材料。与普通材料相比,螺旋结构对通过其的电磁波存在两种相互作用。一 种是由于螺旋结构的材料电磁参数所体现的对电磁波的吸收作用;另一种是由于螺旋结构的结构交叉极化作用实现对电磁的吸收。在螺旋结构中电磁场之间的本构关系表示为:
(1)
式(1)中,ε,μ和ξ 分别为材料的相对介电常数,相对磁导率和螺旋结构的手性参数。
对于厚度为 d 的手性吸波材料,反射系数可以由式(2)表示:
(2)
式(2)中,Z 为材料的阻抗。可以由式(3)表示:
(3)
式(3)中,
,
,d 为手性材料的厚度,η为本征波阻抗。从式(3)可以发现,对于手性材料而言,材料的反射系数与其手性参数有关。如果合理控制螺旋结构的手性 参数可以提高螺旋结构的吸波性能。而且研究发现,对于螺旋结构的手性材料,手性参数的大小与螺旋半径和螺旋的旋间距的比值有关。
3. 仿真计算
在进行优化计算之前,首先对螺旋结构的吸波性能进行研究,仿真计算了双螺旋结构的模型如图1所示。螺旋结构的半径为0.3mm、旋间距为0.7mm,其下面放有0.5mm×0.5mm的正方形全反射板;螺旋结构材料的电磁参数为:相对介电常数和相对磁导率为1,介质损耗角正切和磁损耗角正切为0,材料的电导率为10S/m。
图 1 立体双螺旋结构
对上面的结构单元利用电磁仿真软件CST进行仿真计算,得到螺旋结构的反射系数如图2所示。
图 2 双螺旋结构的反射系数
从图2中的反射系数结果发现,螺旋结构单元的反射系数很大,与相关文献报道中的螺旋结构有很好的吸波性能的说法有很大的差距。为了验证螺旋结构的吸波性能,对螺旋结构周围的电场进行分析,得到螺旋结构周围电场的分布如图3所示。
图 3 双螺旋结构周围的电场分布
从图3可知,螺旋结构周围的电场与其他位置的电场相比有很大的衰减,说明螺旋结构对通过自己的电磁波有很强的吸收,但是图2中的反射系数的仿真计算结果比较大。于是对图1中的螺旋结构进行分析,发现反射系数很大的主要原因是由于螺旋结构不能很好覆盖其下面的全反射板,全反射板的强反射作用使得反射系数增大。
为了改进图1中的螺旋结构单元中存在的缺点,在新建立的结构单元中,利用一个中心掏空的立方体放置在螺旋结构单元的外面,解决由于全反射板的反射作用对反射系数的影响,改进的螺旋结构单元模型如图 4 所示。
图 4 外面放置立方体结构的 螺旋结构模型
图4与图1中螺旋结构的结构参数和材料参数相同,唯一的区别是在图4的模型外面放置了一定大小的正方形盒子,利用仿真计算软件CST对上面的螺旋结构进行仿真计算。同时为了验证建立的螺旋结构的吸波效果,对与图4中的螺旋结构大小和材料相同的立方体结构单元进行仿真计算。对两种情况的结构单元的反射系数进行比较,如图5所示。
图 5 双螺旋结构与吸波材料反射系数的比较
从图5可以发现,由螺旋结构组成的结构单元的反射系数比完全由吸波材料组成的结构单元的反射系数平均有2dB的差值。产生这一结果的主要原因是由于螺旋结构的交叉极化作用对电磁波的强吸收使得反射系数相对减小。
根据前面的理论分析,可知螺旋结构的反射系数与螺旋结构的结构参数有关。为设计吸波性能更好的螺旋结构单元,对螺旋结构的结构参数进行优化设计。在优化的过程中,以图4中的螺旋结构为基础,优化的变量是螺旋结构的半径和螺旋结构的旋间距的比值,优化变量的范围是[0.1,0.23]。优化主要是利用Matlab软件编写的脚本命令和遗传优化算法相结合建立的优化系统对上面的螺旋结构单元进行优化设计,优化设计计算的结果如图6所示。
图 6 不同螺旋半径与螺旋的旋间距比值的情况下的反射系数的比较
从图6所示的优化计算结果可以发现,当螺旋半径与螺旋的旋间距比值为0.15时,相对其他比值情况反射系数比较小,而且在2~18GHz 范围内,反射系数小于-5dB的带宽接近10GHz。这主要是由于当螺旋半径与螺旋的旋间距的比值为0.15时螺旋结构的手性参数最大。此时由于交叉极化作用对电磁波的吸收最强,结构对电磁波的交叉极化的吸收最大,所以反射系数比较小,而且带宽比较宽。
4 . 结论
通过对螺旋结构周围电场分布的分析,对原有的螺旋结构进行改进。发现改进的螺旋结构的吸波效果好于同样大小和材料的整块材料。利用优化系统对改进的螺旋结构进行了分析和优化设计,结果表明,当螺旋半径与螺旋的旋间距比值为0.15时,在2~18GHz的频带内, 反射系数小于-5dB衰减的带宽达到10GHz。
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