融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁吸收體的設(shè)計(jì)方法，特別是一種融合等效電路和遺傳算法的方環(huán) 陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在日益重要的隱身和電磁兼容（EMC)技術(shù)中，電磁波吸收材料的作用和地位十分 突出，已成為現(xiàn)代軍事中電子對抗的法寶和秘密武器。目前電路模擬吸收體作為一種結(jié)構(gòu) 型的吸波材料受到廣泛關(guān)注。電路模擬吸收體中常見的一種結(jié)構(gòu)即由吸波材料中周期性金 屬條、柵、片構(gòu)成的電阻片組成。
[0003] 等效電路可用于對電阻片的電感、電容等參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，但由于單元周期 之間復(fù)雜的耦合，往往不易獲得精確的等效電路。近年來，對于等效電路的研宄多數(shù)停留在 定量分析，即可以用于解釋吸收體的反射特性，卻無法用于精確的指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
[0004] 方環(huán)陣列是一種經(jīng)典的頻率選擇表面（FSS)結(jié)構(gòu)，它能夠?qū)崿F(xiàn)雙極化特性，并可 以在固定的基底材料上實(shí)現(xiàn)較大帶寬。近幾年來，加載了集總電阻的方環(huán)陣列的等效電路 的研宄往往忽視或粗略估計(jì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的歐姆損耗，導(dǎo)致等效電路的不準(zhǔn)確。
[0005] 在等效電路的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法即可實(shí)現(xiàn)吸收體的快速設(shè)計(jì)。優(yōu)化算 法有許多種，例如：退火算法、蟻群算法、遺傳算法。其中遺傳算法以其靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng) 常用于各類吸收體的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。
[0006] 但是現(xiàn)有技術(shù)中尚無一種融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì) 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提出一種融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電 磁吸收體設(shè)計(jì)方法。此方法可用于基于不同需求的寬帶、低剖面微波吸收體設(shè)計(jì)。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)解決方案為：一種融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣 列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1、根據(jù)吸收體的工作頻段&~匕選擇介質(zhì)基底材料的介電常數(shù)ei、厚度屯 與層數(shù)n，之后將這些介質(zhì)基底一層一層疊起放置，最后一層介質(zhì)基底采用金屬板接地；
[0010] 介質(zhì)基底材料的厚度di、層數(shù)n與介電常數(shù)e i的確定公式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括 以下步驟： 步驟1、根據(jù)多層吸收體的工作頻段4~^選擇介質(zhì)基底材料的介電常數(shù)ei、厚度di與層數(shù)n，之后將這些介質(zhì)基底一層一層疊起放置，最后一層介質(zhì)基底采用金屬板接地； 步驟2、每兩層介質(zhì)之間空置或放置金屬貼片陣列，所述金屬貼片陣列為單環(huán)陣列或雙 環(huán)陣列； 步驟3、確定單環(huán)與雙環(huán)陣列的輸入阻抗； 步驟4、對多層吸收體結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效，確定吸收體的輸入阻抗； 步驟5、根據(jù)吸收體的輸入阻抗，確定吸收體的反射系數(shù)； 步驟6、定義目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法優(yōu)化吸收體結(jié)構(gòu)，從而得到優(yōu)化的吸收體結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，步驟1中介質(zhì)基底材料的厚度屯、層數(shù)n與介電常數(shù)￡i的確定公式為：
其中c為光在自由空間中的傳播速率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，步驟2中單環(huán)陣列與雙環(huán)陣列均由方環(huán)通過二維排布組成，其中單環(huán)為一個(gè) 方環(huán)，雙環(huán)為中心線重合的兩個(gè)方環(huán)，每個(gè)方環(huán)均為方形環(huán)狀金屬貼片，其四臂的中心加載 集總電阻； 單環(huán)與雙環(huán)陣列的周期長度均為P;雙環(huán)陣列中，外環(huán)的外圍邊長為％，寬度為Wl，兩外 環(huán)之間的距離為gl，四臂加載的集總電阻阻值為心;雙環(huán)陣列中，內(nèi)環(huán)的外圍邊長為a2，寬 度為w2，內(nèi)外環(huán)之間的距離為g2，內(nèi)環(huán)四臂加載的集總電阻阻值為&2; 單環(huán)外圍邊長a，寬度為w，兩環(huán)之間的距離為g，四臂加載的集總電阻阻值為％。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，步驟3中確定單環(huán)與雙環(huán)陣列的輸入阻抗具體為： 步驟3-1、將單環(huán)陣列等效為串聯(lián)諧振電路，其中Xf、Bf、Rf分別代表單環(huán)串聯(lián)電路中的 感抗、容抗和歐姆損耗； 將雙環(huán)陣列的內(nèi)、外兩環(huán)分別由兩個(gè)串聯(lián)電路等效，雙環(huán)陣列總體的等效電路為兩個(gè) 串聯(lián)電路的并聯(lián)電路，其中Xfl、Bfl、Rfl分別代表雙環(huán)陣列中外環(huán)的等效電路的感抗、容抗和 歐姆損耗，Xf2、Bf2、Rf2分別為雙環(huán)陣列中內(nèi)環(huán)的等效電路的感抗、容抗和歐姆損耗； 步驟3-2、根據(jù)上述等效結(jié)果，確定單環(huán)與雙環(huán)等效電路中的感抗、容抗，具體公式如 下： 單環(huán)和雙環(huán)陣列的感抗和容抗（Xf、Bf、Xfl、Bfl、Xf2、Bf2)的計(jì)算基于函數(shù)F，其中F函數(shù) 的計(jì)算如下： F(px,dx,Xx)=px/Ax ?c〇s[ln(cscO. 5 3idx/px)+G(px,dx,Ax)] 其中px、dx、Ax均為函數(shù)中的變量，且
_ ? CN 104809270 A _權(quán)利要求書_ _2/3頁
單環(huán)陣列的感抗Xf、容抗民的計(jì)算公式如下：
雙環(huán)陣列的感抗、容抗（Xfl、Bfl、Xf2、Bf2)的計(jì)算公式如下：
Bfl ?Z0= 0? 75a1；/p?BpBf2 ?Z0=a2/p?BA/ (Bi+B^ ; 其中入為自由空間波長，入$等效介質(zhì)波長，計(jì)算公式為入e=入八￡ 6廣_5,其中、 為等效介電常數(shù)，計(jì)算公式為
其中屯、e,為介質(zhì)基底 的厚度、介電常數(shù)，wa為單環(huán)/雙環(huán)金屬臂的平均寬度；其中Z^為自由空間阻抗377Q; 步驟3-3、根據(jù)上述等效結(jié)果，確定單環(huán)與雙環(huán)等效電路中的歐姆損耗，具體計(jì)算公式 如下： 單環(huán)和雙環(huán)陣列的歐姆損耗（Rf、Rfl、Rf2)的計(jì)算基于函數(shù)R，其中R函數(shù)的計(jì)算如下：
其中M= 0. 014 ?ey?Ry，f；=1. 67c/(py+ay_wy) ;c為光在自由空間中的傳播速率，f為頻率私、&7力、心、￡7均為函數(shù)中的變量； 因此，單環(huán)陣列的歐姆損耗Rf=R(p，a，w，R&eJ，雙環(huán)陣列的歐姆損耗Rfl、Rf2的計(jì)算 如下： Ri=R(p,a1；w1；R01,ee),R2=R(p,a2,w2,R02,ee) Rfl=R1；Rf2= 2R! ?R2/ (R!+R2)； 步驟3-4、根據(jù)上述等效結(jié)果，計(jì)算單環(huán)、雙環(huán)陣列的輸入阻抗，所用公式如下： 單環(huán)陣列的輸入阻抗的計(jì)算公式為：zsurf=Rf+j(xf-i/Bf) 雙環(huán)陣列的輸入阻抗的計(jì)算公式為： Zsurf =[Rn+j(Xfl-1/Bf2) ]II[Rf2+j(Xf2-1/Bf2)]。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，步驟4中對多層吸收體結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效，確定吸收體的輸入阻抗具體為： 步驟4-1、將多層吸收體等效為一個(gè)串并聯(lián)混合電路，其中多層吸收體的接地面等效為 短路，每一層介質(zhì)基底等效為一段傳輸線，每一層的單環(huán)、雙環(huán)陣列等效方法與步驟3-1相 同； 步驟4-2、根據(jù)上述等效結(jié)果，確定多層吸收體的輸入阻抗，具體計(jì)算公式如下：
Zsurf, i-Zsub；i| | [Rf；i+j(Xf；j)] 其中eJPd別是第i( = 1，2,….n)層介質(zhì)基底的相對介電常數(shù)和厚度；ZsuUi和 分別代表第i層介質(zhì)和第i'層方環(huán)陣列的阻抗；f為頻率；其中當(dāng)i= 1時(shí)， 〇 ； 通過以上兩組公式的疊加，當(dāng)i=n'時(shí)，Zsurf，n即為吸收體的輸入阻抗Zin。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，步驟5中根據(jù)吸收體的輸入阻抗，確定吸收體的反射系數(shù)r所用公式為： r= (zin-z〇)/(zin+z〇) 其中ZQ為自由空間阻抗377D。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合等效電路和遺傳算法的方環(huán)陣列電磁吸收體設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，步驟6中所述目標(biāo)函數(shù)的公式如下： 將步驟5得出的吸收體的反射系數(shù)r采樣為n個(gè)點(diǎn)ria= 1~N)，自適應(yīng)函數(shù)定義 N 為= = 其中r'LE且ri+1〈LE，BW為吸收體的帶寬，LE為根據(jù)實(shí)際 需求定義的反射系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種快速高效設(shè)計(jì)基于方環(huán)陣列的吸收體的方法 — 方環(huán)陣列等效電路結(jié)合遺傳算法。該方法首先在無耗方環(huán)陣列的等效電路模型基礎(chǔ)上，引入電阻損耗與等效介電常數(shù)兩個(gè)參量，得出中心加載集總電阻的單/雙環(huán)陣列等效電路模型及計(jì)算公式；然后結(jié)合傳輸線理論，最終推導(dǎo)出多層結(jié)構(gòu)吸收體的等效電路；最后在等效電路的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法對結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行優(yōu)化，形成完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。該方法可設(shè)計(jì)基于方環(huán)陣列的多層吸收體，并可根據(jù)實(shí)際需求來定義設(shè)計(jì)目標(biāo)，可自由設(shè)計(jì)寬帶低剖面吸收體。使用該方法設(shè)計(jì)吸收體，時(shí)間短、誤差小并且效率高。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104809270
【申請?zhí)枴緾N201510121477
【發(fā)明人】車文荃, 韓葉, 熊瑛, 常玉梅
【申請人】南京理工大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年3月19日