CN109616774A - 一种基于空间分布pml模型的吸收材料和微型暗室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空间分布PML模型的吸收材料和微型暗室。吸波单元包括接地金属层、金属图形和中间层介质板，金属图形布置于中间层介质板的上表面，中间层介质板布置于接地金属层的上表面；在沿固定方向极化的电磁波以已知入射角入射到吸波单元下吸波单元中通过调整金属图形的尺寸形态使得相对介电常数和相对磁导率的反射参数满足一定条件；暗室内壁由吸波单元紧密排列布置而成，对于暗室内除了电磁波发射源固定位置以外的其他位置，根据电磁波发射源到该位置之间的入射角按照条件配置该位置的吸波单元。本发明可针对给定频段，设计超薄的吸收表面，针对不同需求工作于开放或封闭的平面或曲面形态，并可用于构造波长尺度的微型吸波暗室。

Description

一种基于空间分布PML模型的吸收材料和微型暗室
技术领域
本发明涉及了一种非均匀完美匹配层(PML)吸收材料和微型暗室，尤其是涉及了一种基于空间分布本构参数的PML模型以及基于以上模型的吸收材料及微型暗室构造方法。
背景技术
完美匹配层PML是计算电磁学中利用数学定义的一种假想的物质模型。当沿任意极化的电磁波以任意的入射角度入射到PML表面时，电磁波会无任何反射地进入PML内部。当PML具有较大损耗时，透射的电磁波能量会被迅速吸收，成为一种理想的吸波材料。但是，由于其本构参数中的有源特性及non-Maxwellian性质，在实验中制造出具有PML特性的材料仍然存在很大挑战。
自由空间指的是具有统一的相对介电常数和磁导率的空间。如果没有这样的理想介质，那么麦克斯韦方程的辐射解是很难得到的。同样，在进行有关天线辐射、电磁兼容、雷达截面测量等实验的时候，同样需要类似自由空间的开阔场地。但是在现代生活环境中，很难找到理想的开阔场地，所以就有了微波暗室的存在。微波暗室一般是通过在内壁铺设吸波材料来实现，但是为了获得具有类似自由空间特性的静区，微波暗室的尺寸必须很大，通常在几十或者几千波长之间，导致了对建造场地以及造价有很高的要求。因此构建微型暗室是十分必要的。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于空间分布本构参数的PML模型，以及基于以上模型的吸收材料及微信暗室。
本发明采用的具体技术方案是：
一、一种基于空间分布PML模型的吸收材料：
包括吸波单元，吸波单元主要由一层空间分布本构参数的介质层和一层接地金属层构成，空间分布本构参数的介质层包括金属图形和中间层介质板，金属图形布置于中间层介质板的上表面，中间层介质板布置于接地金属层的上表面。
在沿固定方向极化的电磁波以已知入射角θ入射到吸波单元下，假设电磁波沿x-y-z三维笛卡尔坐标系中的y轴方向极化，吸波单元中通过调整金属图形的尺寸形态使得吸波单元的相对介电常数和相对磁导率的反射参数满足以下公式：
上式中，εry表示沿y轴方向的相对介电常数，μrx表示沿x轴方向的相对磁导率，h表示沿z轴方向的相对磁导率，θ表示电磁波斜入射的入射角，θ∈(0,90)，L表示中间层介质板厚度，kz表示波矢量沿z方向的分量，k0是自由空间的波数；R(θ)表示电磁波以角度θ入射到吸波单元时的反射参数，i表示虚部，e为常数。
利用数值方法求得精确解，满足上述反射系数的公式等于零的本构参数可以构造非均匀PML模型及其吸收材料。
包括多个吸波单元，多个吸波单元紧密排列于所构造的表面，具有良好吸收特性的吸收材料。
所述所构造的表面为任意大小和任意形状的表面。
所构造的表面可以为平面，也可以为曲面。
所述的金属图形为布置于中间层介质板上的金属层，包括两个相对布置的金属部分，每个金属部分包括矩环形和手指形，矩环形靠近手指形的一侧边中央设有缺口，缺口正对的矩环形的另一侧边经条形和手指形的根部连接，条形和缺口不接触连接，两个金属部分的手指形以叉指结构布置。
所述的接地金属层采用金属背板。
在吸波单元的介质损耗角较大时的近似解εry”/μrx”＝cos2θ同样用于构造具有接近PML吸收特性的吸收表面，εry”和μrx”分别表示等效的相对介电常数与相对磁导率的虚部。
对于不同的入射角度，均采用上述公式的吸波单元的等效本构参数，即等效的相对介电常数与相对磁导率，即可满足上述非均匀PML模型的要求。
通过将上述吸波单元在平面或曲面上排列构成具有良好吸收特性的超薄吸收材料，以及可以构建任意形状的微波暗室。超薄是指吸收材料的厚度仅为其工作波长的几十分之一。
二、一种基于空间分布PML模型的微型暗室：
暗室内设有固定位置的电磁波发射源，暗室内壁均由权利要求1的吸波单元紧密排列布置而成，电磁波发射源向周围发射电磁波，被各处吸波单元接收；对于暗室内除了电磁波发射源固定位置以外的其他位置，根据电磁波发射源到该位置之间的入射角按照权利要求1的公式配置该位置的吸波单元。
常规的微波暗室是通过在内壁铺设角锥形吸波材料来实现的封闭空间。而本发明的微波暗室采用上述特殊设计的吸波材料铺设来实现的封闭空间后，对于某一暗室，在固定了发射源的位置之后，发射源辐射到暗室任意位置的入射角度即已固定，因此通过在上述位置布设符合该入射角度的吸收表面单元，即可完成微波暗室的配置。
所述的电磁波发射源到每个位置之间的入射角由电磁波发射源到每个位置的连线和每个位置吸波单元所在的平面法向之间的夹角获得。
本发明的吸收单元具有超薄特性及全角度特性，所述微型暗室为任意大小和任意形状的空间暗室，具有完美吸收的特性。
所述微型暗室的尺度为工作波长量级。
本发明的微型暗室尺寸可以小至工作波长量级。
本发明的有益效果是：
本发明实现了具有等同或者接近完美匹配层(PML)的性能，同时避免了传统PML模型non-Maxwellian特性的吸收材料带来的问题，并且可以构造出任意形状的吸收表面和任意大小的微波暗室。
附图说明
图1是本发明中的非均匀PML分析模型图。
图2是本发明中在介质损耗角较大时候反射参数公式的近似解曲线图。
图3表明在发射源的位置固定之后，发射源辐射到暗室任意位置的入射角度即已固定。
图4是利用COMSOL对本发明中等效介电常数和磁导率满足反射参数公式近似解情况下圆柱共形吸收表面吸收性能的仿真验证。
图5是图4对应角度的实际吸收单元在圆柱表面的分布图。
图6是本发明金属图形结构的示意图。
图中：介质层31、金属图形311、中间层介质板312、接地金属层32。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施过程。
吸波材料具体实施包括包括至少一个吸波单元，是通过将多个吸波单元紧密排列于所构造暗室的内表面，具有良好吸收特性的吸收材料。
如图1所示，吸波单元主要由一层空间分布本构参数的介质层31和一层接地金属层32构成，接地金属层32作为屏蔽层，空间分布本构参数的介质层包括金属图形311和中间层介质板312，金属图形布置于中间层介质板312的上表面，中间层介质板312布置于接地金属层32的上表面。
如图6所示，金属图形为布置于中间层介质板上的金属层，包括两个相对布置的金属部分，每个金属部分包括矩环形和手指形，矩环形靠近手指形的一侧边中央设有缺口，缺口正对的矩环形的另一侧边经条形和手指形的根部连接，条形和缺口不接触连接，两个金属部分的手指形以叉指结构布置。
要求沿固定方向(具体实施中可以设为x-y-z坐标系中的y轴方向)极化的电磁波以已知入射角θ入射到吸波单元，电磁波入射到吸波单元的金属图形表面，在笛卡尔坐标系中，当沿y轴极化的电磁波以θ角度入射到本发明中的非均匀材料表面，吸波单元中通过调整金属图形311的尺寸形态使得吸波单元的相对介电常数和相对磁导率的反射参数满足以下公式：
上式中，εry表示沿y轴方向的相对介电常数，μrx表示沿x轴方向的相对磁导率，h表示沿z轴方向的相对磁导率，θ表示电磁波斜入射的入射角，θ∈(0,90)，L表示中间层介质板厚度，kz表示波矢量沿z方向的分量，k是自由空间的波数；R(θ)表示电磁波以角度θ入射到吸波单元时的反射参数，i表示虚部，e为常数。
本发明具体实施根据解析解计算了对于某一给定频率，此处为5.8GHz情况下，给定等效介电常数和磁导率的实部εry'＝μrx'＝10时，其等效介电常数和磁导率虚部的分布图，如示意图2所示。
在吸波单元的介质损耗角较大时的近似解εry”/μrx”＝cos2θ同样用于构造具有接近PML吸收特性的吸收表面，εry”和μrx”分别表示等效的相对介电常数与相对磁导率的虚部。
在吸波单元的介质损耗角较大的时候，即满足条件：
εry＝ε′ry+iε″ry≈iε″ry
μrx＝μ′rx+iμ″rx≈iμ″rx
再得到简化的近似公式：
公式解为：
ε″ry/μ″rx＝cos2θ
近似的，对于不同的入射角度，当所采用的吸波单元等效的相对介电常数与相对磁导率满足以上关系时，构造具有接近PML吸收特性的吸收表面。
如图5所示，暗室内设有固定位置的电磁波发射源，暗室内壁均由权利要求1的吸波单元紧密排列布置而成，接地金属层32朝外，金属图形311朝内，电磁波发射源向周围全向发射，被各处吸波单元接收；对于暗室内除了电磁波发射源固定位置以外的其他位置，根据电磁波发射源到该位置之间的入射角按照上述公式配置该位置的吸波单元。
对于某一给定暗室，在固定了发射源的位置之后，发射源辐射到暗室任意位置的入射角度即已固定。
示意图3(a)为具有圆柱共形表面的暗室，在固定了发射源的位置之后，圆柱内部任意位置相应的入射角度即固定，通过在上述位置铺设对应入射角度的吸波单元表面，即可完成微型暗室的配置。
示意图3(b)为一平面吸波屏风表面，如果已知发射源的位置及发射源到吸波表面的距离d即可得到发射源发射到吸波表面任意位置的入射角度。通过在上述固定角度铺设对应角度的吸收单元即可完成吸收表面的配置。
具体实施例及其实施如下：
具体实施中，吸波单元具体由上层金属图形11、中间层介质板12和底层金属背板2构成。中间层介质板采用FR4玻璃纤维环氧树脂覆铜板。并且同时满足镜像对称和中心旋转对称。0度入射角和20度入射角的吸收单元表面上层金属结构如图3(b)右侧所示。入射电磁波可同时引发上述单元的电谐振与磁谐振。示意图6为本发明金属图形结构的示意图，通过调节上层金属图形的长度、线宽、缝隙等使表面单元等效电磁参数精确的符合PML模型的要求。
例如，本发明中的吸收单元长度L为1/10工作波长，高度H为1/6工作波长，通过调节上层金属图形的尺寸为h＝2.4mm，a＝0.2，b＝0.2，x＝0.2，h0＝0.43及中间插值金属条数目为n＝9即可得到完美0度吸收单元。通过调节上述金属图形尺寸为h＝2.34mm，a＝0.2，b＝0.2，x＝0.2，h0＝0.4及中间插值金属条数目为n＝9即可得到完美20度吸收单元。0度吸收单元的等效相对介电常数和磁导率分别为εry＝39.28+j89.36，μrx＝39.28+j89.63；20度吸收的单元的等效相对介电常数和磁导率分别为εry＝39.51+j85.26，μrx＝39.51+j97.03。通过计算可知，其等效的相对介电常数和磁导率的虚部均近似满足ε″ry/μ″rx＝cos2θ关系。同时，在COMSOL中针对圆柱形二维暗室进行仿真，发射源为二维线电流源，固定在二维圆柱暗室边界，其余位置为相应入射角度的吸波表面单元。仿真中圆柱半径为3λ，圆柱厚度为0.07λ，仿真结果如示意图4所示。暗室结构如图5所示。
由上述实施实例可见，本发明可针对某一给定频率，设计超薄的吸收单元表面。该吸收表面可以针对不同需求，工作于开放或封闭的平面或曲面形态，并可用于构造波长尺度的微型吸波暗室。
本发明可针对给定频段，设计超薄的吸收表面，该吸收表面可以针对不同需求，工作于开放或封闭的平面或曲面形态，并可用于构造波长尺度的微型吸波暗室。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于空间分布PML模型的吸收材料，其特征在于：包括吸波单元，吸波单元主要由一层空间分布本构参数的介质层(31)和一层接地金属层(32)构成，空间分布本构参数的介质层包括金属图形(311)和中间层介质板(312)，金属图形布置于中间层介质板(312)的上表面，中间层介质板(312)布置于接地金属层(32)的上表面；
在沿固定方向极化的电磁波以已知入射角θ入射到吸波单元下，假设电磁波沿x-y-z三维笛卡尔坐标系中的y轴方向极化，吸波单元中通过调整金属图形(311)的尺寸形态使得吸波单元的相对介电常数和相对磁导率的反射参数满足以下公式：
上式中，εry表示沿y轴方向的相对介电常数，μrx表示沿x轴方向的相对磁导率，h表示沿z轴方向的相对磁导率，θ表示电磁波斜入射的入射角，θ∈(0,90)，L表示中间层介质板厚度，kz表示波矢量沿z方向的分量，k0是自由空间的波数；R(θ)表示电磁波以角度θ入射到吸波单元时的反射参数，i表示虚部，e为常数。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间分布PML模型的吸收材料，其特征在于：包括多个吸波单元，多个吸波单元紧密排列于所构造的表面，具有良好吸收特性的吸收材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间分布PML模型的吸收材料，其特征在于：所述所构造的表面为任意大小和任意形状的表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间分布PML模型的吸收材料，其特征在于：所述的金属图形为布置于中间层介质板上的金属层，包括两个相对布置的金属部分，每个金属部分包括矩环形和手指形，矩环形靠近手指形的一侧边中央设有缺口，缺口正对的矩环形的另一侧边经条形和手指形的根部连接，条形和缺口不接触连接，两个金属部分的手指形以叉指结构布置。
5.根据权利要求1所述的一种基于空间分布PML模型的吸收材料，其特征在于：所述的接地金属层采用金属背板。
6.一种基于空间分布PML模型的微型暗室，其特征在于：
暗室内设有固定位置的电磁波发射源，暗室内壁均由权利要求1的吸波单元紧密排列布置而成，电磁波发射源向周围发射电磁波，被各处吸波单元接收；对于暗室内除了电磁波发射源固定位置以外的其他位置，根据电磁波发射源到该位置之间的入射角按照权利要求1的公式配置该位置的吸波单元。
7.根据权利要求6所述的一种基于空间分布PML模型的微型暗室，其特征在于：所述的电磁波发射源到每个位置之间的入射角由电磁波发射源到每个位置的连线和每个位置吸波单元所在的平面法向之间的夹角获得。
8.根据权利要求6所述的一种基于空间分布PML模型的微型暗室，其特征在于：所述微型暗室为任意大小和任意形状的空间暗室。
9.根据权利要求6所述的一种基于空间分布PML模型的微型暗室，其特征在于：所述微型暗室的尺度为工作波长量级。
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