CN107644140B - 一种等离子体材料设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体材料设计方法，采用日光灯管作为等离子体发生器，模拟圆柱体等离子体材料，获取圆柱体等离子体材料的电磁参数，采用圆柱体等离子体材料来构造单层等离子体材料层，根据圆柱体等离子体材料的传输反射特性计算等效介电常数，继而获取单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数，采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计，获得最终的宽带高吸收率等离子体多层分布结构。本发明提高了等离子体材料对电磁波的吸收并降低反射，能够降低目标的电磁散射以及背景与目标之间电磁耦合，降低背景对目标测试的影响，制备成本低，应用效果好。
Description
技术领域
本发明涉及复杂结构吸波与屏蔽材料的设计领域，尤其涉及一种等离子体材料设计方法。
背景技术
随着电磁波技术的发展，目标的电磁散射特性测试对于目标的生存能力、定位判断至关重要，目前目标的雷达散射截面(radar cross section，RCS)是反映其性能特点的重要指标。随着低散射目标或隐身目标的测试需求日益增加，室内模拟测试对于目标的电磁散射特性评估越来越受到重视。例如宇宙飞船、航天飞机、高超声速飞行器作为一类特殊飞行器，其在再入大气层返回地球时，飞行速度极高，可达到音速的十几倍到几十倍，这使得飞行器前段形成了很强的激波。飞行器头部周围激波的压缩和大气的粘滞作用使得飞行器表面达到很高的温度，气体和被烧蚀的防热材料均发生电离，在飞行器周围形成一层高温等离子体鞘层。这种等离子体鞘层和电磁波将会发生相互作用，电磁波在传输过程中产生衰减，表现为目标的电磁散射会降低，容易导致地面与飞行器之间的通信严重失效，雷达探测目标特性难。因此，为模拟表面等离子体对目标电磁散射的影响，通常采用电磁仿真与实验室模拟测试来实现。如专利CN106604514A提供了一种排管及低温等离子体发生设备，采用介质阻挡放电技术来实现等离子体的发生，排管包括导电介质和绝缘介质，提供一种低温等离子体发生设备，然而这类等离子体发生装置通常用于处理废气材料，在目标表面生成等离子体材料层比较难，用于实验室测试也容易带来新的散射源。专利CN106686874A也公开了一种等离子介质阻挡放电电路，包括介质板和高压交流电源驱动电路；所述介质板的一侧表面设有高电压电极，所述介质板的另一侧表面设有接地电极；所述高电压电极与高压交流电源驱动电路的高压输出端连接，所述接地电极与高压交流电源驱动电路的接地端连接；所述高压交流电源驱动电路设有控制高压输出的脉宽调制模块。然而这类等离子体主要用于表面处理装置中，对于模拟目标表面的吸波材料还未涉及。专利CN106686876A公开了一种微波等离子体源和远程微波等离子体装置，包括微波等离子体源，微波等离子体源装入不同形式的真空室内，构成不同形式的远程微波等离子体装置，微波等离子体源由微波腔、产生等离子体的介质容器和产生微波的磁控管及其供电电源组成，这一类等离子体在目标表面模拟吸波层具有一定的可行性，但是目前应用还比较有限。文献“何湘,陈建平,倪晓武,等.雷达隐身等离子体参数优化设计[J].南京理工大学学报(自然科学版),2010,34(3):401-405.”针对等离子体对雷达波的吸收、衰减问题，采用求解波动方程的方法，计算了非均匀等离子体覆盖的金属目标对雷达波的反射。选取非均匀等离子体的最大电子数密度为5×1016～1018m-3，碰撞频率为10-1～103GHz,等离子体厚度为0～0.5m。研究结果表明：提高等离子体电子数密度能够增强对高频雷达波的隐身效果，但同时需合理提高碰撞频率以保证对低频雷达波的隐身能力；有效增加等离子体厚度，可降低对等离子体源电子数密度的要求几倍甚至数十倍。文献“宋黎浩.等离子体对电磁波吸收及反射的研究及应用[D].西安电子科技大学,2014.”针对非均匀分布等离子体和电磁波的作用展开研究,峰值电子密度和碰撞频率作为非均匀分布等离子的两个主要描述参数决定了非均匀分布等离子体对于电磁波的吸收和反射特性，研究了峰值电子密度和碰撞频率对非磁化等离子体中电磁波的吸收和反射的影响，分析了电磁波不同角度入射时吸收和反射特性规律，提出了对吸收和反射进行计算的方法，仿真了覆盖导体平板的等离子体对电磁波的吸收和反射，得出了等离子体峰值电子密度、碰撞频率与吸收和反射的关系。文献“李毅,张伟军,莫锦军,等.闭式等离子体隐身技术及等离子体参数的优化[J].微波学报,2008,24(1):23-25.”提出了一种等离子体隐身技术,即闭式等离子体隐身技术，从而解决了开放式的等离子体隐身技术的诸多问题。通过计算入射到覆盖闭式等离子体的金属平板上的电磁波的反射率，得出了在低温下，提高等离子体密度和温度，有利于更好的吸收电磁波结论。最后计算了未覆盖与覆盖闭式等离子体导体圆锥的雷达散射截面，结果表明采用闭式等离子隐身技术有很好的隐身效果。文献“Lin Min,Xu HaoJun,Wei XiaoLong,等.电磁波在非磁化等离子体中衰减效应的实验研究[J].Acta Physica Sinica,2015,64(5):55201-055201.”开展垂直入射到具有金属衬底的非磁化等离子体中电磁波衰减特性的理论与实验研究。利用WKB方法对电磁波衰减随等离子体参数的变化规律进行了理论分析。利用射频电感耦合放电方式产生稳定的大面积等离子体材料层，搭建了等离子体反射率弓形测试系统，进行了电磁波在非磁化等离子体中衰减效应的实验研究。然而上述文献目前还集中在分析等离子体内部电磁波传输反射特性，对于如何提高和设计宽带高吸收率等离子还未涉及。
发明内容
本发明提供一种等离子体材料设计方法，提高了等离子体材料对电磁波的吸收并降低反射，能够降低目标的电磁散射以及背景与目标之间电磁耦合，降低背景对目标测试的影响，制备成本低，应用效果好。
为了达到上述目的，本发明提供一种等离子体材料设计方法，包含以下步骤：
步骤S1、采用日光灯管作为等离子体发生器，模拟圆柱体等离子体材料，获取圆柱体等离子体材料的电磁参数；
步骤S2、采用圆柱体等离子体材料来构造单层等离子体材料层，根据圆柱体等离子体材料的传输反射特性计算等效介电常数，继而获取单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数；
步骤S3、采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计，获得最终的宽带高吸收率等离子体多层分布结构。
在步骤S1中，采用电磁波沿平行于圆柱体界面方向垂直入射到非磁化均匀等离子体中的传输模型，等离子体相对介电常数为：
其中，ω＝2πf，f为电磁波频率，υen＝2πfen，fen为等离子体中电子与中性气体分子的碰撞频率，
为等离子体角频率，ne为等离子体电子密度，e为电子电量(-1.6×10-19库仑)，me为电子质量(9.11×10-31kg)，ε0＝8.85×10-12F/m为真空介电常数。
在步骤S1中，所述的等离子体发生器采用低压放电方式，日光灯管的额定功率为25W，内径为15.6mm，电子镇流器额定功率为30W，升高电压的铁芯材料采用铁氧体，灯管的电子密度值主要在1×1014-1×1016m-3范围内。
在步骤S2中，所述的计算等效介电常数的方法包含：
在CST三维电磁场仿真软件中进行材料的传输反射特性仿真，首先建立等离子圆柱模型，然后设置对应的电磁参数、频率、以及周期边界条件，接着划分网格生成有限元模型，最后利用时域有限积分方法进行求解，得到等效混合物材料的反射参数S11和透射参数S21；
根据反射参数和透射参数，利用NRW算法计算得到单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数。
在步骤S3中，所述的等离子体多层分布结构为结构梯度分布。
在步骤S3中，所述的等离子体多层分布结构的结构参数包含：各层材料的组分、厚度、介电常数和磁导率，组分包含日光灯管的电子密度和对应的功率；
第n层的表面阻抗Zinn表示如下：
Zin1＝Z1th(γ1d1) (12)
其中，第n层材料的特征阻抗为
εn和μn为第n层材料的电磁参数，第n层材料的传播常数
dn为厚度，C是光在真空中的速度，第n层材料的反射率RL表示如下：
RL＝20lg|(Zinn-Z0)/(Zinn+Z0)| (13)。
在步骤S3中，所述的采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计的方法包含：
选取优化频带为1-8GHz，优化目标函数为反射率，反射率要求小于-10dB；基于测试的不同电子密度的单层等离子体材料层所构建的电磁参数库，通过插值计算得到有限功率中任何功率值的等离子体材料的电磁参数；优化变量为各层单层等离子体材料层的功率、厚度或占空比；
选择每层等离子体材料层的功率、厚度和占空比，建立遗传算法的染色体，材料厚度用Ai表示，功率用Bi表示，占空比用Ci表示，第i层材料的染色体序列为AiBiCi，总层染色体可以表示为类似A1B1C1A2B2C2…AmBmCm；
当每层等离子体材料层的分布结构一致时，则占空比一致，此时可以只选取功率和厚度两个要素进行优化；
当每层等离子体材料层的功率一致时，这时可以只选取厚度和占空比两个要素进行优化；
在优化过程中，创建了含有800条染色体的随机群体，然后进行选择操作，交叉操作和编译操作，通过生成次数达到20次后选取最优的反射率，判断准则为在1-8GHz范围内反射率低于-10～-25dB频带最宽，同时当频带均为1-8GHz时候材料的总厚度最小。
本发明提高了等离子体材料对电磁波的吸收并降低反射，能够降低目标的电磁散射以及背景与目标之间电磁耦合，降低背景对目标测试的影响，制备成本低，应用效果好。
附图说明
图1是本发明提供的一种等离子体材料设计方法的流程图。
图2是日光灯管功率与等离子体角频率和电子碰撞频率的关系图。
图3是等离子体材料结构有限元模型。
图4是等离子体材料的复数介电常数。
图5是高吸收率等离子体面元结构图。
图6是同分布宽带等离子体的反射率曲线。
图7是不同分布宽带等离子体的反射率曲线。
具体实施方式
以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种等离子体材料设计方法，包含以下步骤：
步骤S1、采用日光灯管作为等离子体发生器，模拟圆柱体等离子体材料，获取圆柱体等离子体材料的电磁参数；
步骤S2、采用圆柱体等离子体材料来构造单层等离子体材料层，根据圆柱体等离子体材料的传输反射特性计算等效介电常数，继而获取单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数；
步骤S3、采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计，获得最终的宽带高吸收率等离子体多层分布结构。
在步骤S1中，采用电磁波沿平行于圆柱体界面方向垂直入射到非磁化均匀等离子体中的传输模型，等离子体相对介电常数为：
其中，ω＝2πf，f为电磁波频率，υen＝2πfen，fen为等离子体中电子与中性气体分子的碰撞频率，
为等离子体角频率，ne为等离子体电子密度，e为电子电量(-1.6×10-19库仑)，me为电子质量(9.11×10-31kg)，ε0＝8.85×10-12F/m为真空介电常数。
所述的等离子体发生器采用低压放电方式，日光灯管的额定功率为25W，内径为15.6mm，灯管使用的电子镇流器为自行配置，功率与灯管匹配，额定功率为30W，该镇流器与日光灯电子变压器原理相同，具有输出电压低频率高的特点，而且升高电压的铁芯材料采用铁氧体，所以变压器的体积较小。实验测量了环形日光灯管七个不同位置处的光谱数据，通过计算得出各个点的电子密度值。灯管的电子密度值主要在1×1014-1×1016m-3范围内，日光灯管功率与等离子体角频率和电子碰撞频率的关系如图2所示。
在步骤S2中，在计算等离子体传输反射特性时，考虑实际布置的圆柱体等离子体为相邻布置，测试时空间充满等离子体和表面空气层，为方便计算，采用等效分布计算的方法来完成，即将包含圆柱体等离子体和空气的混合材料等效为均匀分布的混合物材料。对于圆柱体等离子体的等效介电常数采用仿真计算和参数反演方法来完成。
所述的计算等效介电常数的方法包含：
在CST三维电磁场仿真软件(CST STUDIO SUIT)中进行材料的传输反射特性仿真，首先建立等离子圆柱模型，然后设置对应的电磁参数(包含步骤S1中计算得到的介电常数)、频率(频率直接设置为1-8GHz)、以及周期边界条件(边界条件在X和Y轴方向均为元胞边界unit cell条件，而在Z轴方向为开口条件)，接着划分网格生成有限元模型(如图3所示)，最后利用时域有限积分方法进行求解，得到等效混合物材料的反射参数S11和透射参数S21。
通过理论公式计算，即可得到不同功率下的等离子体材料的等效介电常数，如图4所示。从图可以看出，随着频率的增加，介电常数的实部逐渐增减，虚部逐渐减小，介电常数实部低于1。同时随着功率的增加，在同样频率下介电常数的实部基本呈降低变化趋势，而介电常数虚部基本呈增加变化趋势，这都表明随着等离子体电子密度的增加(和等离子体角频率平方成正比)，介电损耗角会逐渐增大，有利于等离子体内部的电磁波更快的损耗。
所述的计算单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数的方法包含：根据反射参数和透射参数，利用Nicolson-Ross-Weir(NRW)算法计算得到单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数。
具体如下，两个S参数可以表示如下：
令
则反射系数
以上±号的选择根据|Γ|≤1进行判定，传输系数
而电磁波在长度为L的试样段中的反射系数和传输系数又可写成
T＝e-jγL
从而可以推导得到复数磁导率μr和复数介电常数εr：
其中，
对于混合物材料的介电常数变化规律可以由如下的Maxwell-Garnett混合媒质理论来解释，当等离子体材料为均匀排布时，而对于填充比例下的等离子体材料而言，材料的体积比较高时，改进的Maxwell-Garnett混合理论被提出，在该理论中一种显式介电常数εa被引入进来：
εa＝εm+a(εeff-εm)
其中，εi和εm分别为添加剂和粘结剂的介电常数，通常εm＝1，εa为显式介电常数，a为0到1中的相关系数。n是混合材料的形状因子的平均值，ν是填充比例，νc为等离子体材料的渗漏阈值。
在步骤S3中，所述的等离子体多层分布结构为结构梯度分布，即从上至下，在单位长度内，等离子体灯管的数量越来越多，分布密度越来越大，也可以称为密度梯度分布。
所述的等离子体多层分布结构的结构参数包含：各层材料的组分、厚度、介电常数和磁导率。其中，组分主要指灯管的电子密度和对应的功率，此时介电常数和磁导率也能够确定。
第n层的表面阻抗Zinn表示如下：
Zin1＝Z1th(γ1d1) (12)
其中，第n层材料的特征阻抗为
εn和μn为第n层材料的电磁参数，第n层材料的传播常数
dn为厚度，C是光在真空中的速度，第n层材料的反射率RL表示如下：
RL＝20lg|(Zinn-Z0)/(Zinn+Z0)| (13)
所述的采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计的方法包含：
选取优化频带为1-8GHz，优化目标函数为反射率，反射率要求小于-10dB；基于S1步骤中测试的不同电子密度的单层等离子体材料层所构建的电磁参数库，通过插值计算得到S1步骤中测试的有限功率中任何功率值的等离子体材料的电磁参数，电磁参数是后续多层材料阻抗设计的参数，也是方便后续遗传算法优化，优化变量为各层单层等离子体材料层的功率、厚度或占空比；
选择每层等离子体材料层的功率、厚度和占空比，建立遗传算法的染色体，材料厚度用Ai表示，功率用Bi表示，占空比用Ci表示，第i层材料的染色体序列为AiBiCi，总层染色体可以表示为类似A1B1C1A2B2C2…AmBmCm；
当每层等离子体材料层的分布结构一致时，则占空比一致，此时可以只选取功率和厚度两个要素进行优化，设计的结果如图5中的左边部分所示，优化结果可以为3种功率和3种不同厚度；
当每层等离子体材料层的功率一致时，这时可以只选取厚度和占空比两个要素进行优化，设计的结果如图5中的右边部分所示，优化结果可以为3种占空比和3种不同厚度；
在优化过程中，创建了含有800条染色体的随机群体，然后进行选择操作，交叉操作和编译操作，通过生成次数达到20次后选取最优的反射率，判断准则为在1-8GHz范围内反射率低于-10～-25dB频带最宽，同时当频带均为1-8GHz时候材料的总厚度最小。
实施案例1：
(1)等离子体电磁参数获取
采用圆柱体等离子体进行模拟计算，灯管型号为T5，对应直径大约为15.6mm，实验中采用日光灯管来实现等离子体的发生，灯管的额定功率为25W，内径为15.6mm，灯管使用的电子镇流器为自行配置，功率与灯管匹配的，额定功率为30W。实验测量了环形灯管七个不同点处的光谱数据，通过计算得出各个点的电子密度值。灯管的电子密度值主要在1×1012-1×1013m-3范围内。
(2)等离子体传输反射特性计算
考虑实际布置的圆柱体等离子体为相邻布置，测试时候空间充满等离子体和表面空气层，为方便计算，采用等效分布计算的方法来完成，即将包含圆柱体等离子体和空气的混合材料等效为均匀分布的混合物材料。对于圆柱体等离子体的等效介电常数采用仿真计算和参数反演方法来完成，在CSTSTUDIO SUIT软件平台中进行材料的传输反射特性仿真，首先建立等离子圆柱模型，然后设置对应的电磁参数和频率，以及周期边界条件后，利用时域有限积分方法进行求解，这样就可以得到反射参数S11和透射参数S21的值。
利用经典的Nicolson-Ross-Weir(NRW)算法可求得等效材料的复数磁导率和复数介电常数。本实例采用的圆柱体等离子体为截面周期阵列结构，在两个方向的分布方式为两者紧靠分布。
(3)宽带高吸收率等离子体电磁设计
本实例采用的等离子多层设计基于原始不同功率下的同宽度设计，即每层圆柱体材料具有相同的宽度。宽带等离子体的电磁设计采用遗传算法来完成，优化变量为吸收等离子材料各层的功率和厚度，优化频带为1-8GHz，优化目标函数为反射率，反射率要求小于-10dB。基于测试的系列多层等离子材料(不同电子密度的等离子体材料)所构建的电磁参数库。选择每层等离子体材料的功率、厚度，建立遗传算法的染色体。材料厚度用Ai表示，功率用Bj表示，第i层材料的染色体序列为AiBi，总层染色体可以表示为类似A1B1A2B2…AmBm。在优化过程中，创建了含有800条染色体的随机群体，然后进行选择操作，交叉操作和编译操作，通过生成次数达到20次后选取最优的反射率，判断准则为在1-8GHz范围内反射率低于-10dB频带最宽，同时当频带均为1-8GHz时候材料的总厚度最小。
通过遗传算法进行优化后，得到材料的层数为28层，其中上面8层为功率8.3W时候的等离子体，而下面20层为功率18.8W时的等离子体，通过多层材料反射率计算后得到的吸波性能曲线如图6所示。可以看出此时的反射率有多个峰值，反射率最小值能够达到-47dB左右，在8GHz出现最大值。
实施案例2：
(1)等离子体电子密度和电磁参数关系
同实施案例1一样，仍然采用圆柱体等离子体进行模拟计算，灯管型号为T5，对应直径大约为15.6mm，获取等离子体电子密度和电磁参数的关系。
(2)等离子体传输反射特性计算
考虑实际布置的圆柱体等离子体具有一定的占空比，测试时候空间充满等离子体和表面空气层，为方便计算，采用等效分布计算的方法来完成，即将包含圆柱体等离子体和空气的混合材料等效为均匀分布的混合物材料。对于混合物材料的介电常数变化规律可以由如下的Maxwell-Garnett混合媒质理论来解释，当等离子体材料为均匀排布时，而对于填充比例下的等离子体材料而言，材料的体积比较高时，改进的Maxwell-Garnett混合理论被提出，在该理论中一种显式介电常数εa被引入进来：
εa＝εm+a(εeff-εm)
式中εi和εm分别为添加剂和粘结剂的介电常数，通常εm＝1，εa为显式介电常数，a为0到1中的相关系数。n是混合材料的形状因子的平均值，ν是填充比例，νc为等离子体材料的渗漏阈值。通过对单个圆柱周期阵列结构的体元进行仿真计算，通过参数拟合，可以得到上述公式中的材料形状因子为0.075，而a为0，νc为1，表明等离子材料和周围的相互效应可以忽略，而等效材料的渗漏阈值为理想状态，即全部充满等离子时才行形成导通。进而设定了一定的占空比后便可得到不同分布结构等离子体材料的电磁参数。
(3)宽带高吸收率等离子体电磁设计
本实例采用的等离子多层设计基于相同功率下的不同分布设计，即每层圆柱体材料具有不同的宽度。宽带等离子体的电磁设计采用遗传算法来完成，优化变量为吸收等离子材料各层的占空比和厚度，优化频带为1-8GHz，优化目标函数为反射率，反射率要求小于-10dB。基于测试的系列等离子材料(不同电子密度的等离子体材料)所构建的电磁参数库。选择每层等离子体材料的占空比和厚度，建立遗传算法的染色体。材料厚度用Ai表示，占空比密度含量用Ci表示，第i层材料的染色体序列为AiCi，总层染色体可以表示为类似A1C1A2C2…AmCm。在优化过程中，创建了含有800条染色体的随机群体，然后进行选择操作，交叉操作和编译操作，通过生成次数达到20次后选取最优的反射率，判断准则为在1-8GHz范围内反射率低于-10dB频带最宽，同时当频带均为1-8GHz时候材料的总厚度最小。
通过遗传算法进行优化后，得到材料的层数为9层，功率均为25W。以分布结构总宽度为10根圆柱体计算，即面元的宽度为156mm，其中上面1层为具有8根圆柱体的等离子材料，即等离子体宽度为15.6×8mm，中间3层为具有6根圆柱体的等离子体材料，即等离子体宽度为15.6×6mm，最下面的5层具有9根圆柱体的等离子体材料，即等离子体宽度为15.6×9mm，通过多层材料反射率计算后得到的吸波性能曲线如图7所示。此时的反射率仍然出现多个峰值的现象，最小值出现在5～6GHz范围内，最小值接近-38dB，尽管平均值要高于实施案例1，但是厚度得到了很大的降低，降低了近11层。
本发明将等离子体材料结构和电磁特性一体化设计的概念引入高吸收率等离子体发生装置中，用于提高等离子体材料对电磁波的吸收并降低反射。等离子体采用不同电子密度填充的多层设计来实现宽频带吸收性能，而采取的发生器原理为低压放电方式，等离子体填充材料结构为圆柱结构，基于等效传输反射系数对单层等离子体的等效介电常数进行单层设计，然后对各种电子密度的层间结构进行优化设计，最终得到宽带高吸收率等离子体结构。本发明所提出的高吸收率等离子体设计方法为等离子体模拟测试提供了设计思路，是一种具有应用前景的复杂吸波材料产品的高效设计方法。所制备的产品针对民用或军用电子设备或目标的实验室演示验证测试，进行设计处理后能够降低目标的电磁散射以及背景与目标之间电磁耦合，降低背景对目标测试的影响。
本发明提出的宽带高吸收率等离子体设计方法，与其他常规的吸波材料和屏蔽材料的吸波机理不同，宽带吸收方式可以为功率控制或占空比控制，并设定各层等离子体材料层的厚度，以满足预计的电磁特性要求，实现吸波材料和屏蔽的可设计性。本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、采用功率控制方式来实现不同电子密度下的等离子体，然后通过一定的结构设计进行宽带设计。
2、利用等离子体为圆柱体等离子体铺设方式为不同占空比的平行分布，优化设计方法为遗传算法，同时制备成本也较低。
本发明针对室内目标测试，能够进行目标快速模拟，而且耐环境特性好，将等离子体用于覆盖于目标表面之上，降低目标的电磁散射以及地面和目标之间的电磁耦合，并且搭建室内测试场地方便，成本较低，存储便利，并且能够重复应用，是一种具有应用前景的复杂吸波与屏蔽性能的产品。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种等离子体材料设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、采用日光灯管作为等离子体发生器，模拟圆柱体等离子体材料，获取圆柱体等离子体材料的电磁参数；
步骤S2、采用圆柱体等离子体材料来构造单层等离子体材料层，根据圆柱体等离子体材料的传输反射特性计算等效介电常数，继而获取单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数；
步骤S3、采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计，获得最终的宽带高吸收率等离子体多层分布结构；
在步骤S1中，采用电磁波沿平行于圆柱体界面方向垂直入射到非磁化均匀等离子体中的传输模型，等离子体相对介电常数为：
其中，ω＝2πf，f为电磁波频率，υen＝2πfen，fen为等离子体中电子与中性气体分子的碰撞频率，
为等离子体角频率，ne为等离子体电子密度，e为电子电量(-1.6×10-19库仑)，me为电子质量(9.11×10-31kg)，ε0＝8.85×10-12F/m为真空介电常数；
在步骤S1中，所述的等离子体发生器采用低压放电方式，日光灯管的额定功率为25W，内径为15.6mm，电子镇流器额定功率为30W，升高电压的铁芯材料采用铁氧体，灯管的电子密度值主要在1×1014-1×1016m-3范围内。
2.如权利要求1所述的等离子体材料设计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述的计算等效介电常数的方法包含：
在CST三维电磁场仿真软件中进行材料的传输反射特性仿真，首先建立等离子圆柱模型，然后设置对应的电磁参数、频率、以及周期边界条件，接着划分网格生成有限元模型，最后利用时域有限积分方法进行求解，得到等效混合物材料的反射参数S11和透射参数S21；
根据反射参数和透射参数，利用NRW算法计算得到单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数。
3.如权利要求2所述的等离子体材料设计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述的等离子体多层分布结构为结构梯度分布。
4.如权利要求3所述的等离子体材料设计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述的等离子体多层分布结构的结构参数包含：各层材料的组分、厚度、介电常数和磁导率，组分包含日光灯管的电子密度和对应的功率；
第n层的表面阻抗Zinn表示如下：
Zin1＝Z1th(γ1d1) (12)
其中，第n层材料的特征阻抗为
εn和μn为第n层材料的电磁参数，第n层材料的传播常数
dn为厚度，C是光在真空中的速度，第n层材料的反射率RL表示如下：
RL＝20lg|(Zinn-Z0)/(Zinn+Z0)| (13)。
5.如权利要求4所述的等离子体材料设计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述的采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计的方法包含：
选取优化频带为1-8GHz，优化目标函数为反射率，反射率要求小于-10dB；基于测试的不同电子密度的单层等离子体材料层所构建的电磁参数库，通过插值计算得到有限功率中任何功率值的等离子体材料的电磁参数；优化变量为各层单层等离子体材料层的功率、厚度或占空比；
选择每层等离子体材料层的功率、厚度和占空比，建立遗传算法的染色体，材料厚度用Ai表示，功率用Bi表示，占空比用Ci表示，第i层材料的染色体序列为AiBiCi，总层染色体表示为类似A1B1C1A2B2C2···AmBmCm；
当每层等离子体材料层的分布结构一致时，则占空比一致，此时只选取功率和厚度两个要素进行优化；
当每层等离子体材料层的功率一致时，这时只选取厚度和占空比两个要素进行优化；
在优化过程中，创建了含有800条染色体的随机群体，然后进行选择操作，交叉操作和编译操作，通过生成次数达到20次后选取最优的反射率，判断准则为在1-8GHz范围内反射率低于-10～-25dB频带最宽，同时当频带均为1-8GHz时候材料的总厚度最小。
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