CN109614637A - 一种非金属结构体电磁缩比设计方法 - Google Patents

一种非金属结构体电磁缩比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非金属结构体电磁缩比设计方法，包含：S1、在缩比频率处，计算不同入射角下理论缩比材料的垂直和平行极化下的复反射系数；S2、在缩比频率处，建立不同混合物配方与电磁参数之间的对应关系，得到缩比电磁参数库；S3、在缩比频率处，循环计算不同入射角下模拟缩比材料的垂直和平行极化下的复反射系数；S4、从S3的所有计算结果中，寻找到与理论缩比材料的复反射系数最吻合的结果，得到该模拟缩比材料对应的电磁参数；S5、设计非金属结构体缩比模型的几何外形与理论缩比模型的一致。本发明通过优化模拟缩比材料的电磁参数，使其与理论缩比材料的复反射系数一致来实现，突破缩比理论对缩比材料电磁参数的限制，精确有效。

Description

一种非金属结构体电磁缩比设计方法
技术领域
本发明涉及一种非金属结构体电磁缩比模拟材料设计方法，属于目标电磁散射特性缩比测量技术领域。
背景技术
电磁缩比测量技术是研究目标电磁散射特性的重要手段。在电磁缩比测量中，构造出高精度的缩比模型是重要前提之一。随着复合材料技术的发展与广泛应用，目标中非金属复合材料的结构部件越来越常见，这些结构体对目标的电磁散射特性有重要的影响。而这些结构体不仅采用的材料具有复杂的电磁特性，而且还拥有较为特殊的几何外形。由于工程上往往难以在缩比频率构造出与理论缩比材料电磁特性相同的缩比模拟材料。因此，亟待研究出一种近似设计方法，从而解决非金属结构体缩比模型构造的难题。
在早期缩比测量中，绝大多数的研究是围绕全金属缩比模型展开的。随着缩比材料理论与技术的发展，非金属复合材料的缩比逐步被研究。如中国发明专利《一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法》(专利号：ZL 201510817838.4)研究了磁性吸波贴片缩比材料设计构造的问题。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)研究了磁性吸波贴片宽频缩比材料设计构造的问题。中国发明专利《一种蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造方法》(公开号：CN 106777627A)研究了蜂窝结构吸波板缩比材料设计构造的问题。这些研究所涉及的非金属材料皆具有贴片型或板型特征，它们仅仅分布于散射体表面。
在1992第12期《电子学报》期刊中公开的文献《有耗目标电磁散射缩比测量的相似律研究》，针对有耗目标缩比模型提出了三个相似法则，通过介质的反射系数修正缩比模型RCS(Radar Cross Section，雷达散射截面积)与全尺寸模型RCS之间的关系，但研究的介质层仅为涂敷在金属散射体表面。在2008年第1期《航空计算技术》期刊中公开的文献《导体与非导体介质翼型的缩比模型RCS数值计算分析》，利用缩比模型研究二维翼型结构进行电磁散射特性计算研究，并针对非导体介质翼型散射模型，提出将等效阻抗的翼型边界与金属外形相结合的计算方法，同样，所研究的非导体介质翼型结构体仅其表面带有一层介质层。从以上可以看出，现有研究所涉及的非金属材料与本发明所要解决的结构体整体为非金属材料这一特征完全不同。
基于上述，本发明针对非金属结构体整体，提出一种近似缩比设计方法，根据结构体理论缩比模型表面两种极化的反射系数，优化出满足要求的缩比模拟材料，并采用与理论缩比模型一致的几何外形，完成非金属结构体近似缩比模拟设计，从而为推动缩比测量技术的发展做出贡献。
发明内容
本发明的目的是提供一种非金属结构体电磁缩比设计方法，通过优化模拟缩比材料的电磁参数，使模拟缩比材料与理论缩比材料在垂直和平行极化下的复反射系数一致来实现，突破缩比理论对缩比材料电磁参数的严格限制，为工程上非金属结构体的电磁缩比设计提供精确有效的技术途径。
为实现上述目的，本发明提供一种非金属结构体电磁缩比设计方法，包含以下步骤：
S1、计算理论缩比材料的反射系数：根据非金属结构体的电磁参数，在缩比频率处，计算不同入射角下，理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数；
S2、建立缩比电磁参数库：在缩比频率处，测试不同混合物配方的电磁参数，并利用等效媒质理论对测试得到的电磁参数进行拟合计算，建立不同混合物配方与电磁参数之间的对应关系，得到缩比电磁参数库；
S3、循环计算模拟缩比材料的反射系数：根据建立的缩比电磁参数库，在缩比频率处，循环计算不同入射角下，模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数，并记录所有计算结果；
S4、结果寻优：从所有的模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数的计算结果中，寻找到与理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数最吻合的计算结果，得到该模拟缩比材料对应的电磁参数；
S5、设计非金属结构体缩比模型：该非金属结构体缩比模型的几何外形与理论缩比模型的几何外形一致。
所述的S1中，缩比频率＝非金属结构体的全尺寸测试频率/缩比系数。
所述的S1中，电磁参数包含介电常数和磁导率，均来自工程上预先建立的电磁参数库。
所述的S1中，计算不同入射角下，理论缩比材料的垂直极化下的复反射系数的方法为：
计算不同入射角下，理论缩比材料的平行极化下的复反射系数的方法为：
且有：
其中，θi为入射角；ε0和μ0分别为自由空间的介电常数和磁导率；ε1和μ1为理论缩比材料的介电常数和磁导率，与非金属结构体的介电常数和磁导率一致。
所述的S1中，理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数需包括各个不同入射角的情况，即0°≤θi≤90°。
所述的S2中，缩比电磁参数库是通过实验测试与拟合计算而建立得到的，该缩比电磁参数库中包含的电磁参数均能在工程上实现。
所述的S3中，计算不同入射角下，模拟缩比材料的垂直极化下的复反射系数的方法为：
计算不同入射角下，模拟缩比材料的平行极化下的复反射系数的方法为：
且有：
其中，θi为入射角；ε0和μ0分别为自由空间的介电常数和磁导率；ε2和μ2为模拟缩比材料的介电常数和磁导率，是依次由缩比电磁参数库中选取得到。
所述的S3中，模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数需包括各个不同入射角的情况，即0°≤θi≤90°。
综上所述，本发明所提供的非金属结构体电磁缩比设计方法，通过反复优化模拟缩比材料的电磁参数，使得设计的模拟缩比材料与理论缩比材料在垂直和平行两种极化下的复反射系数一致，从而实现非金属结构体近似缩比模拟设计。并且，本发明通过对表面反射系数的计算设计，能够突破缩比理论对缩比材料电磁参数的严格限制，为工程上非金属结构体的电磁缩比设计提供精确有效的技术途径。
附图说明
图1为本发明中的电磁波入射到介质平面的反射系数的计算示意图；
图2为本发明中的最终设计的模拟缩比材料与理论缩比材料分别在垂直和平行两种极化下的复反射系数曲线；
图3为本发明中的仿真等腰劈形体模型的结构示意图；
图4为本发明中的等腰劈形体的模拟缩比模型与理论缩比模型的仿真结果示意图；
图5为本发明中的仿真圆锥体模型的结构示意图；
图6为本发明中的圆锥体的模拟缩比模型与理论缩比模型的仿真结果示意图；
图7为本发明中的非金属结构体电磁缩比设计方法的流程图。
具体实施方式
以下结合图1～图7，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
在物理光学计算法中，目标电磁散射特性是由目标表面的切向电流和磁流决定的，而表面切向电流和磁流则与表面反射系数有关。因此，通过对表面反射系数的设计，可实现非金属结构体的近似缩比设计。
如图1所示，为本发明所提供的非金属结构体电磁缩比设计方法，包含以下步骤：
S1、计算理论缩比材料的反射系数：根据非金属结构体的电磁参数，在缩比频率处，计算不同入射角下，理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数，并得到垂直极化和平行极化下的复反射系数随入射角变化的曲线；
S2、建立缩比电磁参数库：在缩比频率处，测试不同浓度混合物的电磁参数，并利用等效媒质理论对测试得到的电磁参数进行拟合计算，建立起不同混合物配方与电磁参数之间的对应关系，以建立缩比电磁参数库，并进行编号记录；
S3、循环计算模拟缩比材料的反射系数：根据建立的缩比电磁参数库，在缩比频率处，循环计算不同入射角下，模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数，并记录所有计算结果；
S4、结果寻优：从所有的模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数的计算结果中，寻找到与理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数最接近最吻合的计算结果，得到该模拟缩比材料对应的电磁参数；
S5、设计非金属结构体缩比模型：该非金属结构体缩比模型的几何外形与理论缩比模型的几何外形一致。
所述的S1中，缩比频率＝非金属结构体的全尺寸测试频率/缩比系数。
所述的S1中，电磁参数包含介电常数和磁导率，均来自工程上预先建立的电磁参数库。
如图1所示，在设计目标表面反射系数时，需要同时考虑垂直极化和平行极化下的反射系数，图1中给出了目标表面(介质平面)反射系数的计算示意图。其中，为表面法向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，为反射方向的单位矢量，为折射方向的单位矢量，θi为入射角，θγ为折射角。
根据图1，所述的S1中，计算不同入射角下，理论缩比材料的垂直极化下的复反射系数的方法为：
计算不同入射角下，理论缩比材料的平行极化下的复反射系数的方法为：
且有：
其中，θi为入射角；ε0和μ0分别为自由空间的介电常数和磁导率；ε1和μ1为理论缩比材料的介电常数和磁导率，其与非金属结构体的介电常数和磁导率一致。
进一步，所述的S1中，理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数需包括各个不同入射角的情况，即0°≤θi≤90°。
所述的S2中，缩比电磁参数库是通过实验测试与拟合计算而建立得到的，该缩比电磁参数库中包含的电磁参数均能在工程上实现。
所述的S2中，关于电磁参数的具体拟合计算方法，可参照本案申请人已经获得授权的中国发明专利《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)中记载的复合材料电磁参数拟合方法来实现，因此这里将不再赘述。
根据图1，与S1中计算理论缩比材料的反射系数的原理相同，所述的S3中，计算不同入射角下，模拟缩比材料的垂直极化下的复反射系数的方法为：
计算不同入射角下，模拟缩比材料的平行极化下的复反射系数的方法为：
且有：
其中，θi为入射角；ε0和μ0分别为自由空间的介电常数和磁导率；ε2和μ2为模拟缩比材料的介电常数和磁导率，是依次由缩比电磁参数库中选取得到。
进一步，所述的S3中，模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数需包括各个不同入射角的情况，即0°≤θi≤90°。
以下结合一个具体实施例，对本发明提出的一种非金属结构体电磁缩比设计方法进行进一步的详细说明，并利用商用软件FEKO对设计结果进行仿真验证。假设某一非金属结构体的材料介电常数为1-100j，无磁性能，全尺寸测试频率为10GHz，缩比系数为1/10，则得到缩比频率为100GHz，其电磁缩比设计过程如下：
S1、将非金属结构体的介电常数，作为理论缩比材料的介电常数，在缩比频率100GHz处，计算得到0°～90°入射角范围内，理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数；
S2、利用随机函数产生1000组100GHz处的电磁参数，建立缩比电磁参数库；其中，介电常数的实部范围为1～50、介电常数的虚部范围为0～5、磁导率的实部范围为1～5、磁导率的虚部范围为1～2，并对所有电磁参数进行编号记录；
S3、根据所建立的缩比电磁参数库，在缩比频率100GHz处，循环计算0°～90°入射角范围内，模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数，并记录所有计算结果；
S4、从所有的模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数的计算结果中，寻找到与理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数最接近最吻合的计算结果，得到该模拟缩比材料对应的电磁参数，其中介电常数为47.66-1.86j，磁导率为0.29-1.89j；
如图2所示，示出了入射角0°～90°范围内，最终设计的模拟缩比材料与理论缩比材料在垂直(a)和平行(b)两种极化下的复反射系数曲线，从图中可以看出彼此非常吻合；
S5、将非金属结构体缩比模型的几何外形与理论缩比模型的几何外形设计为一致。
根据最终设计的模拟缩比材料的电磁参数、以及理论缩比模型的几何外形，完成非金属结构体的近似缩比模拟设计。并利用商用软件FEKO对设计结果进行仿真计算，此处，仿真模型选择等腰劈形体和圆锥体以作示例。
仿真实施例一：等腰劈形体
仿真的等腰劈形体模型如图3所示，全尺寸等腰劈形体的底面为边长2000mm的正方形，高为500mm，其介电常数皆为1-100j，磁导率皆为1。该等腰劈形体模型的缩比模型和理论缩比模型的几何尺寸皆为全尺寸等腰劈形体模型的1/10；且理论缩比模型的材料与全尺寸等腰劈形体模型的材料相同，即两者的电磁参数一致；而通过本发明方法得到的模拟缩比材料的介电常数为47.66-1.86j，磁导率为0.29-1.89j。在仿真频率为100GHz时，计算的物理量为模型的单站RCS，仿真中方位角为0°，俯仰角变化范围0°～90°，设置TE极化波照射。
如图4所示，提供了等腰劈形体最终设计的模拟缩比模型与理论缩比模型单站RCS的仿真结果，从图中可以看出设计的模拟缩比模型与理论缩比模型非常吻合，两者之间的绝对偏差平均值仅为1.21dB。
仿真实施例二：圆锥体
仿真的圆锥体模型如图5所示，全尺寸圆锥体的底面直径为1000mm，高为500mm，其介电常数皆为1-100j，磁导率皆为1。该圆锥体模型的缩比模型和理论缩比模型的几何尺寸皆为全尺寸圆锥体模型的1/10；且理论缩比模型的材料与全尺寸圆锥体模型的材料相同，即两者的电磁参数一致；而通过本发明方法得到的模拟缩比材料的介电常数为47.66-1.86j，磁导率为0.29-1.89j。在仿真频率为100GHz时，计算的物理量为模型的单站RCS，仿真中方位角为0°，俯仰角变化范围0°～90°，设置TE极化波照射。
如图6所示，提供了圆锥体最终设计的模拟缩比模型与理论缩比模型单站RCS仿真结果，从图中可以看出设计的模拟缩比模型与理论缩比模型非常吻合，两者之间的绝对偏差平均值仅为1.31dB。
从以上两个仿真实施例可以看出，本发明提出的非金属结构体电磁缩比设计方法，能够满足非金属结构体近似缩比模拟设计构造要求，具有重要的工程应用价值。
综上所述，本发明所提供的非金属结构体电磁缩比设计方法，通过反复优化模拟缩比材料的电磁参数，使得所设计的模拟缩比材料与理论缩比材料在垂直和平行两种极化下的复反射系数一致或者高度接近一致，从而实现非金属结构体近似缩比模拟设计。
并且，本发明通过对表面反射系数的计算设计，能够突破缩比理论对缩比材料电磁参数的严格限制。因此，本发明能够为工程上非金属结构体的电磁缩比设计提供精确有效的技术途径。
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 (8)

1.一种非金属结构体电磁缩比设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、计算理论缩比材料的反射系数：根据非金属结构体的电磁参数，在缩比频率处，计算不同入射角下，理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数；
S2、建立缩比电磁参数库：在缩比频率处，测试不同混合物配方的电磁参数，并利用等效媒质理论对测试得到的电磁参数进行拟合计算，建立不同混合物配方与电磁参数之间的对应关系，得到缩比电磁参数库；
S3、循环计算模拟缩比材料的反射系数：根据建立的缩比电磁参数库，在缩比频率处，循环计算不同入射角下，模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数，并记录所有计算结果；
S4、结果寻优：从所有的模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数的计算结果中，寻找到与理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数最吻合的计算结果，得到该模拟缩比材料对应的电磁参数；
S5、设计非金属结构体缩比模型：该非金属结构体缩比模型的几何外形与理论缩比模型的几何外形一致。
2.如权利要求1所述的非金属结构体电磁缩比设计方法，其特征在于，所述的S1中，缩比频率＝非金属结构体的全尺寸测试频率/缩比系数。
3.如权利要求1所述的非金属结构体电磁缩比设计方法，其特征在于，所述的S1中，电磁参数包含介电常数和磁导率，均来自工程上预先建立的电磁参数库。
4.如权利要求1所述的非金属结构体电磁缩比设计方法，其特征在于，所述的S1中，计算不同入射角下，理论缩比材料的垂直极化下的复反射系数的方法为：
计算不同入射角下，理论缩比材料的平行极化下的复反射系数的方法为：
且有：
其中，θi为入射角；ε0和μ0分别为自由空间的介电常数和磁导率；ε1和μ1为理论缩比材料的介电常数和磁导率，与非金属结构体的介电常数和磁导率一致。
5.如权利要求4所述的非金属结构体电磁缩比设计方法，其特征在于，所述的S1中，理论缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数需包括各个不同入射角的情况，即0°≤θi≤90°。
6.如权利要求1所述的非金属结构体电磁缩比设计方法，其特征在于，所述的S2中，缩比电磁参数库是通过实验测试与拟合计算而建立得到的，该缩比电磁参数库中包含的电磁参数均能在工程上实现。
7.如权利要求1所述的非金属结构体电磁缩比设计方法，其特征在于，所述的S3中，计算不同入射角下，模拟缩比材料的垂直极化下的复反射系数的方法为：
计算不同入射角下，模拟缩比材料的平行极化下的复反射系数的方法为：
且有：
其中，θi为入射角；ε0和μ0分别为自由空间的介电常数和磁导率；ε2和μ2为模拟缩比材料的介电常数和磁导率，是依次由缩比电磁参数库中选取得到。
8.如权利要求7所述的非金属结构体电磁缩比设计方法，其特征在于，所述的S3中，模拟缩比材料的垂直极化和平行极化下的复反射系数需包括各个不同入射角的情况，即0°≤θi≤90°。
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