CN108090251B - 一种透波型复合材料缩比设计方法 - Google Patents

一种透波型复合材料缩比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种透波型复合材料缩比设计方法，包含以下过程：通过优化缩比模拟材料的层数、各层的厚度以及各层材料的配方，使得电磁波以各个角度入射时缩比模拟材料的传输系数和反射系数皆能与理论缩比材料吻合，进而满足电磁散射特性缩比测量的要求。本发明具有突破缩比理论对缩比材料电磁参数和几何参数的严格限制，从而为推动缩比测试技术的发展作出贡献的优点。

Description

一种透波型复合材料缩比设计方法
技术领域
本发明涉及目标电磁散射特性缩比测量技术领域，特别涉及一种透波型复合材料缩比设计方法。
背景技术
缩比测试技术由于具有测试成本低、可控性强、稳定度高等优点，已成为获取目标电磁散射特性的重要手段。在缩比测量中，测试目标的缩比模型高精度构造是关键。复合材料具有质量轻、强度高等优势，并且电磁特性可调节，在目标中的使用比重越来越大。然而，复合材料往往具有复杂的电磁特性，工程上难以在缩比频率构造出与全尺寸复合材料电磁特性相同的模拟材料。因此，亟待研究出一种模拟缩比材料近似设计方法，从而解决复合材料缩比构造难题，实现高精度缩比模型的构造。
目标电磁散射特性高频近似计算方法表明，当目标表面反射系数相同时得到的散射场相同。因此，现有研究针对只有反射特性的复合材料提出了一种基于材料反射率的模拟缩比材料近似设计方法，有效地解决了这类复合材料缩比构造的困难。中国发明专利“一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法”(专利号：ZL201510817838.4)针对磁性吸波贴片通过反射率的优化设计获取缩比模拟复合材料的配方，实现磁性吸波贴片模拟复合材料构造。中国发明专利“基于电磁参数优化设计的缩比复合材料配制方法”(公开号：CN105224762A)根据宽角反射特性一致进行电磁参数优化设计，实现了隐身材料模拟缩比材料构造。中国发明专利“一种宽频缩比模拟复合材料配制方法”(公开号：CN106158198A)针对磁性吸波贴片通过多层材料反射率的优化设计获取宽频范围内缩比模拟复合材料的配方，实现磁性吸波贴片宽频缩比模拟复合材料构造。这些发明主要以背面带有金属衬底的复合材料为研究对象，设计过程中不考虑材料的透波特性。1992第12期《电子学报》期刊中公开文献“有耗目标电磁散射缩比测量的相似律研究”通过对金属板或球与介质板或球电磁电磁散射特性分析，针对有耗目标缩比模型提出了三个相似法则，它们除了可用于均匀、各向同性介质构成的散射体外，还可用于非均匀、各向异性介质的散射体，以及用这些介质涂敷的金属散射体，在这三个相似法则中，都是通过介质的反射系数修正缩比模型RCS与全尺寸模型RCS之间的关系，应用的目标对电磁波不具有透射特性。2009第30期《制导与引信》期刊中公开文献“水泥地面电磁缩比测试技术研究”针对介电型的水泥地面，通过介电常数设计得到与全尺寸水泥地面介电常数接近的模拟材料，并利用设计出的模拟材料制作了水泥地面缩比样本，对其电磁反射特性测试后初步验证配制出的模拟材料满足缩比测量要求，然而研究的水泥地面依旧不考虑其透波特性。
当电磁波照射到目标上透波型复合材料部分时，透射的电磁波经过多次反射后再次透过复合材料，因此，目标的电磁散射特性不仅与复合材料的反射特性有关，而且与复合材料的透射特性密切相关。
发明内容
本发明的目的针对透波型复合材料提出一种模拟缩比材料设计方法，根据透波型复合材料的传输系数以及反射系数进行缩比材料参数设计，优化出工程上能够实现的电磁参数和几何参数，实现突破缩比理论对缩比材料电磁参数和几何参数的严格限制，从而为推动缩比测试技术的发展作出贡献的目的。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种透波型复合材料缩比设计方法，包含以下过程：采用平面电磁波以多个角度对理论缩比材料进行照射，计算所述理论缩比材料在各个角度下的传输系数和反射系数；所述理论缩比材料的层数与厚度。
通过随机函数建立包含模拟缩比材料的层数、模拟缩比材料中各层的厚度以及各层材料所采用电磁参数的所述模拟缩比材料的电磁参数库。
或者通过测试不同浓度混合物的电磁参数，并利用等效媒质理论公式对测试数据进行拟合，通过拟合公式建立起混合物配方与电磁参数之间的对应关系，从而建立所述模拟缩比材料的电磁参数库；所述电磁参数库中的各种参数各自设有地址编号。
根据所述地址编号提取构建模拟缩比材料所需的电磁参数，并将产生的随机参数进行记录；根据确定的层数、各层厚度以及各层材料电磁参数计算出平面电磁波以不同角度入射时，模拟缩比材料在缩比频率处的传输系数和反射系数并记录。
计算完成后，在模拟缩比材料传输系数和反射系数记录结果查找与理论缩比材料最为吻合且满足电磁散射特性缩比测量的要求的传输系数和反射系数，并在所述随机参数记录中检索出对应模拟缩比材料的层数、各层厚度以及各层电磁参数。
优选地，所述理论缩比材料与模拟缩比材料为能够反射和透射电磁波的透波型复合材料。
优选地，所述的模拟缩比材料层数和各层厚度值满足工程制造精度要求。
优选地，所述电磁参数库还进一步通过实验测量，电磁参数库中的各电磁参数满足工程制造要求。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明根据透波型复合材料的传输系数以及反射系数进行缩比材料参数设计，优化模拟缩比材料的层数、各层的厚度以及各层材料的配方，使得电磁波以各个角度入射时模拟缩比材料的传输系数和反射系数皆能与理论缩比材料吻合，进而满足电磁散射特性缩比测量的要求。具有突破缩比理论对缩比材料电磁参数和几何参数的严格限制，从而为推动缩比测试技术的发展作出贡献的优点。
附图说明
图1本发明中的多层材料传输系数与反射系数计算模型图；
图2本发明一个仿真实施例示意图；
图3本发明关于设计的缩比材料S1和S2与理论缩比材料的传输系数和反射系数的一个实施例的示意图；
图4本发明关于设计的缩比材料S1和S2与理论缩比材料的电磁散射特性仿真结果的一个实施例的示意图；
图5本发明关于设计的缩比材料S1与理论缩比材料的反射率的一个实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
本发明一种透波型复合材料缩比设计方法，包含以下过程：
步骤S1，参数输入。上述参数主要包括理论缩比材料在各个角度下的传输系数和反射系数、缩比材料的最多层数、材料的最大厚度、符合工程要求的最小加工厚度中以及循环计算的次数。
如图1所示，向上述多层材料输入入射平面电磁波，并得出该多层材料的传输系数和反射系数物理模型，在图中，第一层材料外表面的传输系数和反射系数为
Figure GDA0002770730880000041
Figure GDA0002770730880000042
各层材料表面的输入阻抗通过以下递推公式进行计算，
Figure GDA0002770730880000043
Figure GDA0002770730880000044
求出电磁波在各个界面的传输系数和反射系数，
Figure GDA0002770730880000045
Figure GDA0002770730880000046
在式(1)～(6)中，当入射平面波为TE极化波时，
Figure GDA0002770730880000047
Figure GDA0002770730880000048
Figure GDA0002770730880000049
其中，Z0表示空气的特性阻抗，其值为377Ω；dk(k＝1,L,n)为各层材料的厚度；εk和μk(k＝0,L,n+1)为上述多层材料中各层材料的相对介电常数和相对磁导率，当k＝0和k＝n+1时，εk和μk为对应自由空间中的相对介电常数和相对磁导率，其值皆为1；f为入射电磁波的频率；C为电磁波在自由空间中的传播速度；θk表示各层材料中电磁波传输方向与法线方向的夹角；θ为电磁波入射角。
第一层材料内表面的传输系数和反射系数为
Figure GDA0002770730880000051
Figure GDA0002770730880000052
则上述多层材料的总的传输系数和总的反射系数为
Figure GDA0002770730880000053
Figure GDA0002770730880000054
其单位用dB表示。
如下利用以上递推公式(1)～(13)可以计算出电磁波任意角度入射时任意多层材料的传输系数以及反射系数。据此可以进行透波型复合材料缩比设计，通过优化模拟缩比材料的层数、各层的厚度以及各层材料的配方，使得电磁波以各个角度入射时模拟缩比材料的传输系数和反射系数皆能与理论缩比材料尽量吻合。
步骤S2、电磁参数库准备。测试不同浓度混合物的电磁参数，并利用等效媒质理论公式对测试数据进行拟合，通过拟合公式建立起混合物配方与电磁参数之间的对应关系，在本实施例中，电磁参数的拟合方法可参照发明专利“一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法”(专利号：ZL201510817838.4)中所公布的关于复合材料电磁参数拟合方法，从而建立起电磁参数库。
步骤S3、循环计算。在每次循环计算中，通过随机函数确定材料的层数、各层的厚度以及各层材料所采用电磁参数在电磁参数库中的地址编号，根据该地址编号可用于提取所需要的电磁参数，并将产生的随机参数记录下来；根据确定的层数、各层厚度以及各层电磁参数，计算出电磁波不同角度入射时模拟材料(模拟透波型多层复合材料)在缩比频率处的传输系数和反射系数，并将计算结果记录下来。
步骤S4、对上述记录的计算结果进行寻优处理。上述步骤S3完成后，根据上述模拟材料的传输系数和反射系数记录结果找出与理论缩比材料(理论缩比多层复合材料)的传输系数和反射系数最匹配的数值，并在随机参数记录中检索出对应模拟材料的层数、各层厚度以及各层电磁参数，至此完成模拟材料的缩比设计。
在本实施例中，复合材料(全尺寸透波型复合材料)的厚度为5.0mm、相对介电常数为10.0-0.5j、相对磁导率为2.0-1.0j，入射电磁波为TE极化波，全尺寸测试频率为1.0GHz。缩比系数为1/5，缩比测试频率为5.0GHz，则设计方法包含以下过程：
在本实施例中，理论缩比材料为单层，其最大厚度为5.0mm，厚度精度0.1mm，循环计算次数为5000次。当采用TE极化波照射该理论缩比材料时，理论缩比材料反面的传输系数和反射系数为
Figure GDA0002770730880000061
Figure GDA0002770730880000062
其中，
Figure GDA0002770730880000063
Figure GDA0002770730880000064
式中，Z0表示空气的特性阻抗，其值为377Ω；ε1和μ1为理论缩比材料的相对介电常数和相对磁导率；θ为电磁波入射角；θ1为上述理论缩比材料中电磁波传输方向与法线方向的夹角。上述指理论缩比材料正面的输入阻抗为
Figure GDA0002770730880000071
其中，d1为理论缩比材料的厚度，d1＝1.0mm；f为理论缩比测试频率；C为电磁波在自由空间中的传播速度。那么，理论缩比材料正面的反射系数和传输系数分别为
Figure GDA0002770730880000072
Figure GDA0002770730880000073
则理论缩比材料的整体的传输系数和反射系数为
Ttotal＝20lg|T0T1| (21)
Rtotal＝20lg|R1| (22)
单位为dB。
在本实施例中，模拟缩比材料电磁参数库通过随机函数建立，其中，相对介电常数实部和虚部分别在0～10和0～0.5范围内，相对磁导率实部和虚部分别在0～2和0～1范围内，电磁参数库中包含500种电磁参数，并对它们分别编号。
在本实施例中，在每次循环计算中，通过随机函数确定模拟缩比材料的厚度以及所采用电磁参数在电磁参数库中的地址编号，根据地址编号提取所需要的电磁参数，并将产生的随机参数记录下来；在电磁波以不同角度入射该模拟缩比材料时，根据确定的该模拟缩比材料厚度及其电磁参数计算出该模拟缩比材料在缩比频率处的传输系数和反射系数，并将该传输系数和反射系数的计算结果记录下来。
在本实施例中，经过循环计算完成后，在上述模拟缩比材料传输系数和反射系数记录结果中找出与理论缩比材料最为接近的一种情况，并在随机参数记录中检索出所对应该模拟缩比材料的厚度以及电磁参数，则缩比模拟复合材料厚度为1.5mm、相对介电常数为6.98-0.35j、相对磁导率为1.65-0.53j，将该模拟缩比材料编号为S01。
为了对比，还从记录结果找出传输系数和反射系数仅在电磁波垂直入射时与理论缩比材料一致的模拟缩比材料，而在电磁波斜入射时，该模拟缩比材料与理论缩比材料的传输系数和反射系数有最大的差异，其厚度为3.0mm、相对介电常数为3.04-0.22j、相对磁导率为0.45-0.28j，将该模拟缩比材料编号为S02。
图2给出了理论模拟缩比材料、设计的模拟缩比材料S01和设计的模拟缩比材料S02的传输系数和反射系数随入射角变化的曲线，如图2所示，模拟缩比材料S01与理论模拟缩比材料的传输系数和反射系数高度吻合；而模拟缩比材料S02与理论模拟缩比材料的传输系数和反射系数，在电磁波斜入射时存在偏差，特别是反射系数，最大偏差值达到3.7dB，而传输系数在入射角大于55°时它们之间的偏差逐渐变得明显。
在本实施例中，利用软件FEKO对以上设计结果进行仿真计算，仿真模型如图3所示，图中001、002和003分别表示等腰直角PEC全反射面，004表示复合材料板。在全尺寸模型仿真中，透波型复合材料为1000mm×1000mm×5.0mm的正方形薄板，材料的电磁参数与以上设置相同，即相对介电常数为10.0-0.5j，相对磁导率为2.0-1.0j；为了增强电磁散射特性，在复合材料背后放置一个三面角反射器，其由三个正交的直角等腰三角形金属面组成，三个正方形金属面的边长皆为400mm，三面角反射器顶角与复合材料板的中心距离为750mm；复合材料板与yz面平行，三面角反射器的角平分线与x轴重合，TE极化波入射方向在xz面内且与z轴的夹角从60°到120°变化；全尺寸仿真频率为1.0GHz。
在缩比系数为1:5的理论缩比模型中，复合材板尺寸则为200mm×200mm×1.0mm，电磁参数与全尺寸复合材料板相同，三面角反射器边长为80mm，其顶角与缩比复合材料板的中心距离为150mm，仿真频率为5.0GHz，其它仿真条件与全尺寸情况相同。
根据以上缩比设计结果，在设计的缩比模型中，缩比模拟复合材料S01平板模型尺寸为200mm×200mm×1.5mm、相对介电常数为6.98-0.35j、相对磁导率为1.65-0.53j，缩比模拟复合材料S02平板模型尺寸为200mm×200mm×3.0mm、相对介电常数为3.04-0.22j、相对磁导率为0.45-0.28j，其它仿真条件与理论缩比模型相同。
仿真计算结果如图4所示。从图中可以看出，包含模拟缩比材料S01的模型仿真结果与理论缩比模型仿真结果在计算的60°到120°范围内单站RCS高度一致；对于包含模拟缩比材料S02的模型，当电磁波接近垂直入射复合材料板是，其仿真结果与理论缩比模型仿真结果吻合较好，而当电磁波斜入射时，将会出现偏差，最大偏差值达到2.9dBsm。
因此，通过材料的传输系数和反射系数进行透波型复合材料缩比设计时，需要保证模拟缩比材料在电磁波宽入射角范围内的传输系数和反射系数与理论模拟缩比材料一致，才能确保模拟缩比材料满足缩比测量的要求。
图5给出了模拟缩比材料S01和理论模拟缩比材料反射率曲线，从图中可以看出，它们之间的反射率完全不一致，这表明已有的基于反射率复合材料缩比模拟设计方法不适合透波型复合材料缩比设计。
综上所述，本发明提出一种透波型复合材料缩比设计方法，该方法通过优化缩比模拟材料的层数、各层的厚度和各层的电磁参数，使得电磁波以各个角度入射时缩比模拟材料的传输系数和反射系数皆能与理论缩比材料尽量相同，突破了电磁缩比理论中的材料电磁参数和几何参数的限制。根据本发明提出的设计方法，对全尺寸测试频率为1.0GHz、厚度为5.0mm、相对介电常数为10.0-0.5j、相对磁导率为2.0-1.0j的透波型复合材料进行1:5缩比设计，得到厚度为1.5mm、相对介电常数为6.98-0.35j、相对磁导率为1.65-0.53j的缩比模拟材料，利用FEKO对透波型复合材料与三面角反射器复合模型电磁散射特性仿真，计算结果表明包含设计的缩比模拟复合材料的模型仿真结果与理论缩比模型仿真结果单站RCS高度吻合，这表明本发明提出的设计方法正确可行。
从设计出的缩比复合材料电磁参数和几何厚度可以看出，模拟缩比材料的电磁参数可以与全尺寸复合材料的电磁参数不同，且几何厚度也可以不满足缩比理论要求。因此，本发明提出的一种透波型复合材料缩比设计方法能够突破传统缩比理论的限制，极大地方便了模拟缩比材料在工程上的实现，具有重要的工程应用价值。
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 (4)

1.一种透波型复合材料缩比设计方法，其特征在于，包含以下过程：
采用平面电磁波以多个角度对理论缩比材料进行照射，计算所述理论缩比材料在各个角度下的传输系数和反射系数；所述理论缩比材料的层数与厚度；
通过随机函数建立包含模拟缩比材料的层数、模拟缩比材料中各层的厚度以及各层材料所采用电磁参数的所述模拟缩比材料的电磁参数库；
或者通过测试不同浓度混合物的电磁参数，并利用等效媒质理论公式对测试数据进行拟合，通过拟合公式建立起混合物配方与电磁参数之间的对应关系，从而建立所述模拟缩比材料的电磁参数库；所述电磁参数库中的各种参数各自设有地址编号；
根据所述地址编号提取构建模拟缩比材料所需的电磁参数，并将产生的随机参数进行记录；根据确定的层数、各层厚度以及各层材料电磁参数计算出平面电磁波以不同角度入射时，模拟缩比材料在缩比频率处的传输系数和反射系数并记录；
计算完成后，在模拟缩比材料传输系数和反射系数记录结果查找与理论缩比材料最为吻合且满足电磁散射特性缩比测量的要求的传输系数和反射系数，并在所述随机参数记录中检索出对应模拟缩比材料的层数、各层厚度以及各层电磁参数。
2.如权利要求1所述的透波型复合材料缩比设计方法，其特征在于，
所述理论缩比材料与模拟缩比材料为能够反射和透射电磁波的透波型复合材料。
3.如权利要求1所述的透波型复合材料缩比设计方法，其特征在于，
所述模拟缩比材料的层数和各层厚度值满足工程制造精度要求。
4.如权利要求1所述的透波型复合材料缩比设计方法，其特征在于，
所述电磁参数库还进一步通过实验测量，使得电磁参数库中的各电磁参数满足工程制造要求。
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