搜索螺旋結構人工電磁媒質的優化設計
2016-12-11 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
1. 引言
吸波材料不斷向著“薄、輕、強”的方向發展,低反射超寬頻帶的吸波材料成為當今研究的重點。自從1989年J. C. Chunder進行螺旋結構研究以來,國內外很多高校和研究機構在螺旋結構人工電磁媒質的研究方面也取得 了一定的成果。
2. 螺旋結構吸波的理論分析
手性材料是一種幾何上的概念,物體在空間經過任何旋轉都不能與其鏡像相重合的結構材料。與普通材料相比,螺旋結構對通過其的電磁波存在兩種相互作用。一 種是由于螺旋結構的材料電磁參數所體現的對電磁波的吸收作用;另一種是由于螺旋結構的結構交叉極化作用實現對電磁的吸收。在螺旋結構中電磁場之間的本構關系表示為:
(1)
式(1)中,ε,μ和ξ 分別為材料的相對介電常數,相對磁導率和螺旋結構的手性參數。
對于厚度為 d 的手性吸波材料,反射系數可以由式(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)可以發現,對于手性材料而言,材料的反射系數與其手性參數有關。如果合理控制螺旋結構的手性 參數可以提高螺旋結構的吸波性能。而且研究發現,對于螺旋結構的手性材料,手性參數的大小與螺旋半徑和螺旋的旋間距的比值有關。
3. 仿真計算
在進行優化計算之前,首先對螺旋結構的吸波性能進行研究,仿真計算了雙螺旋結構的模型如圖1所示。螺旋結構的半徑為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;螺旋結構材料的電磁參數為:相對介電常數和相對磁導率為1,介質損耗角正切和磁損耗角正切為0,材料的電導率為10S/m。
圖 1 立體雙螺旋結構
對上面的結構單元利用電磁仿真軟件CST進行仿真計算,得到螺旋結構的反射系數如圖2所示。
圖 2 雙螺旋結構的反射系數
從圖2中的反射系數結果發現,螺旋結構單元的反射系數很大,與相關文獻報道中的螺旋結構有很好的吸波性能的說法有很大的差距。為了驗證螺旋結構的吸波性能,對螺旋結構周圍的電場進行分析,得到螺旋結構周圍電場的分布如圖3所示。
圖 3 雙螺旋結構周圍的電場分布
從圖3可知,螺旋結構周圍的電場與其他位置的電場相比有很大的衰減,說明螺旋結構對通過自己的電磁波有很強的吸收,但是圖2中的反射系數的仿真計算結果比較大。于是對圖1中的螺旋結構進行分析,發現反射系數很大的主要原因是由于螺旋結構不能很好覆蓋其下面的全反射板,全反射板的強反射作用使得反射系數增大。
為了改進圖1中的螺旋結構單元中存在的缺點,在新建立的結構單元中,利用一個中心掏空的立方體放置在螺旋結構單元的外面,解決由于全反射板的反射作用對反射系數的影響,改進的螺旋結構單元模型如圖 4 所示。
圖 4 外面放置立方體結構的 螺旋結構模型
圖4與圖1中螺旋結構的結構參數和材料參數相同,唯一的區別是在圖4的模型外面放置了一定大小的正方形盒子,利用仿真計算軟件CST對上面的螺旋結構進行仿真計算。同時為了驗證建立的螺旋結構的吸波效果,對與圖4中的螺旋結構大小和材料相同的立方體結構單元進行仿真計算。對兩種情況的結構單元的反射系數進行比較,如圖5所示。
圖 5 雙螺旋結構與吸波材料反射系數的比較
從圖5可以發現,由螺旋結構組成的結構單元的反射系數比完全由吸波材料組成的結構單元的反射系數平均有2dB的差值。產生這一結果的主要原因是由于螺旋結構的交叉極化作用對電磁波的強吸收使得反射系數相對減小。
根據前面的理論分析,可知螺旋結構的反射系數與螺旋結構的結構參數有關。為設計吸波性能更好的螺旋結構單元,對螺旋結構的結構參數進行優化設計。在優化的過程中,以圖4中的螺旋結構為基礎,優化的變量是螺旋結構的半徑和螺旋結構的旋間距的比值,優化變量的范圍是[0.1,0.23]。優化主要是利用Matlab軟件編寫的腳本命令和遺傳優化算法相結合建立的優化系統對上面的螺旋結構單元進行優化設計,優化設計計算的結果如圖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的比較
從圖6所示的優化計算結果可以發現,當螺旋半徑與螺旋的旋間距比值為0.15時,相對其他比值情況反射系數比較小,而且在2~18GHz 范圍內,反射系數小于-5dB的帶寬接近10GHz。這主要是由于當螺旋半徑與螺旋的旋間距的比值為0.15時螺旋結構的手性參數最大。此時由于交叉極化作用對電磁波的吸收最強,結構對電磁波的交叉極化的吸收最大,所以反射系數比較小,而且帶寬比較寬。
4 . 結論
通過對螺旋結構周圍電場分布的分析,對原有的螺旋結構進行改進。發現改進的螺旋結構的吸波效果好于同樣大小和材料的整塊材料。利用優化系統對改進的螺旋結構進行了分析和優化設計,結果表明,當螺旋半徑與螺旋的旋間距比值為0.15時,在2~18GHz的頻帶內, 反射系數小于-5dB衰減的帶寬達到10GHz。
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