CN110210177A - 一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统 - Google Patents

一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110210177A
CN110210177A CN201910558508.6A CN201910558508A CN110210177A CN 110210177 A CN110210177 A CN 110210177A CN 201910558508 A CN201910558508 A CN 201910558508A CN 110210177 A CN110210177 A CN 110210177A
Authority
CN
China
Prior art keywords
field
array unit
array
calculating
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910558508.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110210177B (zh
Inventor
黄敏杰
刘虎
武哲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201910558508.6A priority Critical patent/CN110210177B/zh
Publication of CN110210177A publication Critical patent/CN110210177A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110210177B publication Critical patent/CN110210177B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统，涉及电磁学与雷达天线技术领域。该方法包括：获取入射条件；获取单元信息和局部坐标系；计算当地入射条件；计算场量；获取理想导体参照面；计算场量的加权系数；计算每个阵列单元的辐射场；计算总散射场。该方法分别将曲面有限大频率选择表面结构的每个阵列单元当做曲面无限大阵列单元中的一个，以当地入射条件作为该曲面无限大阵列单元的照射条件进行求解，以求解得到的表面电流作为该阵列单元的基础表面电流分布，可以避免阵列单元间复杂的互耦计算，解决了选择表面电性能求解基础‑散射场分析方法存在计算复杂的问题。

Description

一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统
技术领域
本发明涉及电磁学与雷达天线技术领域，特别是涉及一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)广泛应用于各种频段的电磁滤波器。理想情况下，频率选择表面是一种平面无限大周期结构，由某种阵列单元沿两个周期方向无限排列形成。对于平面电磁波照射下的理想二维情形，利用周期边界条件转化到一个阵列单元上进行求解，即可快速计算得到频率选择表面的电性能求解基础-散射场。诸如雷达罩、反射面天线等实际应用的频率选择表面结构通常是曲面或有限大结构，并不具有严格意义上的周期性，仅保留了阵列单元形状和排列间距等特征。精确计算这类曲面有限大频率选择表面应用件可以采用基于有限元的方法。
但在采用有限元法时，需要对曲面有限大频率选择表面进行网格划分。为了保证计算的准确性或者至少能仿真得到频率选择特征，网格的最小尺寸不仅受入射电磁波波长的约束，还受到阵列单元最小几何细节尺寸的约束，即当地网格尺寸不能比阵列单元最小几何细节尺寸大太多。当有介质加载时，为保证有限元法计算的收敛，当地网格尺寸也不能比最小介质厚度大太多。网格划分的限制导致曲面有限大频率选择表面结构的散射场计算所需的计算规模十分庞大，直接导致很多情况下对设计方案进行电性能求解基础-散射场仿真分析的代价大于实验测试。
因此，现有的选择表面散射场分析方法存在计算复杂的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统，解决了现有的选择表面散射场分析方法存在计算复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种频率选择表面结构散射场确定方法，包括：
获取频率选择表面结构的入射条件；
获取每个所述阵列单元的单元信息，所述单元信息包括：中心位置、中心位置法向、阵列单元转角参考方向、阵列单元局部周期距离和阵列单元局部周期方向；
通过所述单元信息建立每个所述阵列单元的局部坐标系；
根据所述入射条件和所述局部坐标系计算每个所述阵列单元的当地入射条件；
通过所述当地入射条件计算每个所述阵列单元的场量；
通过所述单元信息获取理想导体参照面和阵列单元场幅值参考位置；
通过所述参照面计算每个所述阵列单元场量的加权系数；
通过所述单元信息计算每个所述阵列单元的辐射场；
通过所述辐射场和所述加权系数计算所述频率选择表面结构的总散射场。
可选的，所述通过所述当地入射条件计算每个所述阵列单元的场量，具体包括：根据所述每个所述阵列单元的当地入射条件通过周期矩量法计算每个所述阵列单元的场量。
可选的，所述通过所述单元信息获取理想导体参照面和阵列单元场幅值参考位置，具体包括：
当所述频率选择表面结构的厚度小于切向特征尺寸的1/50时，所述参照面为照射表面，所述阵列单元场幅值参考位置为所述中心位置；
当所述频率选择表面结构的厚度大于切向特征尺寸的1/50时，所述参照面为所述频率选择表面结构导电层的平均曲面，所述阵列单元场幅值参考位置为所述局部坐标系的z轴与所述参照面的交点。
可选的，所述通过所述参照面计算每个所述阵列单元场量的加权系数，具体包括：根据所述参照面通过有限元方法和物理光学方法计算每个所述阵列单元场量的加权系数。
可选的，所述通过所述单元信息计算每个所述阵列单元的辐射场，具体包括：根据所述单元信息通过电矢位法计算每个所述阵列单元的辐射场。
可选的，所述通过所述辐射场和所述加权系数计算所述频率选择表面结构的总散射场，具体包括：
将每个所述阵列单元的辐射场根据所述加权系数进行叠加，得到所述频率选择表面结构的总散射场。
一种频率选择表面结构散射场确定系统，包括：
入射条件获取模块，用于获取频率选择表面结构的入射条件；
单元信息模块，用于获取每个所述阵列单元的单元信息，所述单元信息包括：中心位置、中心位置法向、阵列单元转角参考方向、阵列单元局部周期距离和阵列单元局部周期方向；
局部坐标系模块，用于通过所述单元信息建立每个所述阵列单元的局部坐标系；
当地入射条件模块，用于根据所述入射条件和所述局部坐标系计算每个所述阵列单元的当地入射条件；
场量计算模块，用于通过所述当地入射条件计算每个所述阵列单元的场量；
参照面模块，用于通过所述单元信息获取理想导体参照面和阵列单元场幅值参考位置；
加权系数模块，用于通过所述参照面计算每个所述阵列单元场量的加权系数；
辐射场模块，用于通过所述单元信息计算每个所述阵列单元的辐射场；
总散射场模块，用于通过所述辐射场和所述加权系数计算所述频率选择表面结构的总散射场。
可选的，所述场量计算模块具体包括：
场量计算单元，用于根据每个所述阵列单元的当地入射条件通过周期矩量法计算每个所述阵列单元的场量。
可选的，所述加权系数模块具体包括：
加权系数单元，用于根据所述参照面通过有限元方法和物理光学方法计算每个所述阵列单元场量的加权系数。
可选的，所述辐射场模块具体包括：
辐射场单元，用于根据所述单元信息通过电矢位法计算每个所述阵列单元的辐射场。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统，该方法包括：获取频率选择表面结构的入射条件；获取每个阵列单元的单元信息；通过单元信息建立每个阵列单元的局部坐标系；根据入射条件和局部坐标系计算每个阵列单元的当地入射条件；通过每个阵列单元的当地入射条件计算每个阵列单元的场量；通过单元信息获取理想导体(Perfect Electric Conductor，PEC)参照面和阵列单元场幅值参考位置；通过参照面计算每个阵列单元场量的加权系数；通过单元信息计算每个阵列单元的辐射场；通过辐射场和加权系数计算频率选择表面结构的总散射场。该方法分别将曲面有限大频率选择表面结构的每个阵列单元当做曲面无限大阵列单元中的一个，以当地入射条件作为该曲面无限大阵列单元的照射条件进行求解，以求解得到的表面电流作为该阵列单元的基础表面电流分布，可以避免阵列单元间复杂的互耦计算；通过PEC参照面上的相对表面电流幅值来修正阵列单元上的表面电流分布，相当于用经验法来计入边缘和阵列单元间互耦的影响程度，简化了边缘和互耦的计算量，解决了现有的选择表面电性能求解基础-散射场分析方法存在计算复杂的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所提供的频率选择表面结构散射场确定方法的流程图；
图2为本发明实施例1所提供的平面波照射下的曲面频率选择表面结构图；
图3为本发明实施例1所提供的阵列单元局部坐标系与阵列单元厚度的关系图；
图4为本发明实施例1所提供的3层阵列单元的PEC参照面分布图；
图5为本发明实施例1所提供的加权系数分布云图；
图6为本发明实施例1所提供的矩量法求解的圆柱面无介质加载阵列单元的表面电流幅值分布图；
图7为本发明实施例1所提供的矩量法求解的PEC参照面的表面电流幅值分布图；
图8为本发明实施例1所提供的本方法与MoM方法计算的雷达散射截面积方向对比图；
图9为本发明实施例2所提供的频率选择表面结构散射场确定系统的系统结构图。
其中，1、入射平面电磁波；2、曲面阵列单元；3、第一阵列单元；4、第二阵列单元；5、第三阵列单元；6、PEC参照面；7、本方法得到的雷达散射截面积；8、MoM方法得到的雷达散射截面积。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种频率选择表面结构散射场确定方法。图1为本发明实施例1所提供的频率选择表面结构散射场确定方法的流程图。参见图1，一种频率选择表面结构散射场确定方法，包括：
步骤101，获取频率选择表面结构的入射条件。频率选择表面结构为可以计算面积的曲面，即曲面有限大频率选择表面结构，频率选择表面结构包括多个阵列单元。
入射条件包括：入射频率f、入射方向和电场极化方向等。
步骤102，获取每个阵列单元的单元信息。单元信息包括：第i个阵列单元的中心位置中心位置法向阵列单元转角参考方向阵列单元局部周期距离和阵列单元局部周期方向
步骤103，通过单元信息建立每个阵列单元的局部坐标系。
步骤103具体为：以第i个阵列单元的中心位置为坐标原点、阵列单元转角参考方向为x轴方向、中心位置法向为z轴方向建立每个阵列单元的局部坐标系。
其中局部坐标系的z轴表示为： 表示阵列单元局部坐标系的z轴方向。
图2为本发明实施例1所提供的平面波照射下的曲面频率选择表面结构图，参见图2，图2中x轴和y轴代表全局坐标系，在入射平面电磁波1的照射下曲面阵列单元2上的黑色圆点表示阵列单元的中心位置，以阵列单元中心为原点的局部坐标系的z轴为当地中心位置法向，同时z轴方向也是该黑色圆点的厚度方向；其中表示第i个阵列单元的中心位置；表示第i个阵列单元的阵列单元转角参考方向，同时也是以为原点的局部坐标系的x轴；表示以为原点的第i个阵列单元局部坐标系的z轴；θi表示入射电磁波相对第i个阵列单元的入射倾斜角度；同理，表示第j个阵列单元的中心位置，表示第j个阵列单元的阵列单元转角参考方向，同时也是以为原点的第j个阵列单元局部坐标系的x轴；表示以为原点的第j个阵列单元局部坐标系的z轴，θj表示入射电磁波相对第j个阵列单元的入射倾斜角度。
步骤104，根据入射条件和局部坐标系计算每个阵列单元的当地入射条件。
步骤104具体包括：局部坐标系的y轴为中心位置法向与阵列单元转角参考方向的叉积，表示为： 表示阵列单元局部坐标系的y轴方向。
频率选择表面结构全局坐标系的任意矢量在第i个阵列单元的局部坐标系中表示为：
其中，表示第i个阵列单元的局部坐标系中的矢量
则入射方向和电场极化方向在局部坐标系下表示为：
其中，表示第i个阵列单元局部坐标系下的入射方向，表示第i个阵列单元局部坐标系下的入射电场方向。
局部坐标系下的电场极化方向分为横电场(Transverse electric fieldpolarization，TE)极化电场方向和横磁场(Transverse magnetic field polarization，TM)极化电场方向，局部坐标系下的TE极化电场方向和TM极化电场方向分别表示为：
其中，表示TE极化电场方向；表示TM极化电场方向。
入射电场在局部坐标系的两个电场极化方向上的分量分别表示为：
其中，ce,0,i表示第i个阵列单元局部坐标系下入射电场的TE极化分量；ce,1,i表示第i个阵列单元局部坐标系下入射电场的TM极化分量。
局部坐标系下的阵列单元周期矢量：阵列单元局部周期矢量和在局部坐标系下分别表示为：
其中，表示第i个阵列单元局部坐标系下的阵列单元局部周期距离表示第i个阵列单元局部坐标系下的阵列单元局部周期方向
步骤105，通过当地入射条件计算每个阵列单元的场量。
步骤105具体包括：根据每个阵列单元的当地入射条件通过周期矩量法计算每个阵列单元的场量。步骤105具体为：分别将每个阵列单元当作频率选择表面结构阵列单元中的一个阵列单元，用周期矩量法计算阵列单元上的场量。
频率选择表面结构全局坐标系的任意位置矢量在第i个阵列单元的局部坐标系中表示为：
其中，表示全局坐标系中的位置矢量；xlcl,i表示在第i个阵列单元局部坐标系x轴上的位置；ylcl,i表示在第i个阵列单元局部坐标系y轴上的位置；zlcl,i表示在第i个阵列单元局部坐标系z轴上的位置；表示的切向分量。
第i个阵列单元上照射面和出射面的等效表面电流在局部坐标系下表示为
其中，表示第i个阵列单元照射面上由TE极化单位入射电场激发的等效表面电流；表示第i个阵列单元照射面上由TM极化单位入射电场激发的等效表面电流；表示第i个阵列单元照射面上由TE极化单位入射电场激发的等效表面电流；表示第i个阵列单元照射面上由TM极化单位入射电场激发的等效表面电流；di表示频率选择表面结构在第i个阵列单元的中心位置的厚度；Elei表示第i个阵列单元在xlcl,iOylcl,i平面上的投影区域。
步骤106，通过单元信息获取PEC参照面和阵列单元场幅值参考位置。
步骤106具体包括：确定曲面有限大频率选择表面结构的理想导体(PerfectElectric Conductor，PEC)参照面和阵列单元场幅值参考位置。
当频率选择表面结构的厚度小于切向特征尺寸的1/50时，PEC参照面为照射表面，阵列单元场幅值参考位置即第i个阵列单元的幅值参考位置为第i个阵列单元的中心位置切向特征尺寸为频率选择表面结构的一个薄壁结构表面两个方向的最窄或最短尺寸。
当频率选择表面结构的厚度大于切向特征尺寸的1/50时，PEC参照面为频率选择表面结构导电层的平均曲面，每个阵列单元的幅值参考位置为局部坐标系的z轴与PEC参照面的交点
图3为本发明实施例1所提供的阵列单元局部坐标系与阵列单元厚度的关系图，参见图3，图3表示在入射平面电磁波1的照射下，当频率选择表面有一定厚度时，阵列单元局部坐标系与阵列单元厚度之间的关系；其中，x轴和z轴代表全局坐标系，入射平面电磁波1直接照射的面为照射面，另一侧为透射面；局部坐标的z轴取与入射平面电磁波1入射方向成锐角的方向；表示的阵列单元当地切向分量，表示局部坐标系下的位置矢量；厚度di为频率选择表面结构在第i个阵列单元的中心位置的厚度，即与透射面的距离。
当存在多层阵列单元时，PEC参照面的选取参见图4，图4为本发明实施例1所提供的3层阵列单元的PEC参照面分布图，其中，第二阵列单元4位于第一阵列单元3和第三阵列单元5中间，PEC参照面6位于第二阵列单元4和第三阵列单元5中间。
具体的PEC参照面的选取方法包括：设频率选择表面结构有NA个导电层，第m个导电层所在的曲面由参数方程确定。其中，m＝1,2,…,NA；(x，y，z)表示第m个导电层所在的曲面上任意一点的坐标；xm(u,v)表示确定x坐标的函数；ym(u,v)表示确定y坐标的函数；zm(u,v)表示确定z坐标的函数。
则PEC参照面所在的平均曲面由参数方程确定。其中，(x，y，z)表示PEC参照面所在的平均曲面上任意一点的坐标，x表示该点在x轴上的坐标值，y表示该点在y轴上的坐标值，z表示该点在z轴上的坐标值。
步骤107，通过PEC参照面计算每个阵列单元场量的加权系数。
步骤107具体包括：根据参照面通过有限元方法和物理光学方法计算每个阵列单元场量的加权系数。
步骤107具体为：分别用有限元方法和物理光学方法计算同样照射条件下PEC参照面上的表面电流分布，有限元方法计算的在处表面电流的有限元解为JFEM,i，物理光学方法计算的在处表面电流的物理光学解为JPO,i，则第i个阵列单元场量的加权系数采用步骤107在8GHz、TE极化垂直入射下得到的各个阵列单元场量加权系数的分布云图如图5所示，阵列单元规模为50*50(行*列)，图5为本发明实施例1所提供的加权系数分布云图；图5右侧的色度条表示表面电流幅值Ai对应显示的颜色，图5中横轴表示列，纵轴表示行。
步骤108，通过单元信息计算每个阵列单元的辐射场。
步骤108具体包括：根据单元信息通过电矢位法计算每个阵列单元的辐射场。步骤108具体为：单个阵列单元在任意散射方向上的远场辐射电场采用电矢位法求解为：
其中，表示的远场辐射电场；表示频率选择表面结构的表面电流；j表示虚数单位；ω表示角频率；μ表示真空磁导率；k表示自由空间波数；R表示源场距离，即从源点到场点的距离；π表示圆周率；Ele表示整个阵列单元表面构成的积分区域，即单元照射表面和出射表面构成的积分区域；表示面积微元ds'处的位置矢量。
将第i个阵列单元上的等效表面电流作为代入远场辐射电场的公式，可以得到：
式中，表示第i个阵列单元的远场辐射电场；表示第i个单元的面积；当r＝0时，ce,r,i＝ce,0,i表示第i个阵列单元局部坐标系下入射电场的TE极化分量，表示第i个阵列单元照射面上由TE极化单位入射电场激发的等效表面电流，表示第i个阵列单元照射面上由TE极化单位入射电场激发的等效表面电流；当r＝1时，ce,r,i＝ce,1,i表示第i个阵列单元局部坐标系下入射电场的TM极化分量，表示第i个阵列单元照射面上由TM极化单位入射电场激发的等效表面电流，表示第i个阵列单元照射面上由TM极化单位入射电场激发的等效表面电流。
步骤109，通过辐射场和加权系数计算频率选择表面结构的总散射场。辐射场为第i个阵列单元的远场辐射电场。
步骤109具体包括：
将每个阵列单元的辐射场根据加权系数进行叠加，得到频率选择表面结构的总散射场，具体为：将每个阵列单元在任意散射方向上的远场辐射电场按照权重系数Ai叠加，得到整个曲面有限大频率选择表面结构的近似总散射场：
式中，表示总散射场，i表示整个曲面有限大频率选择表面结构上阵列单元的数目。
步骤102-105将每个阵列单元当做平面无限大阵列单元中的一个求解表面场分布，以此作为电磁散射问题中阵列单元附近场分布的近似解。分别将每个阵列单元当做平面无限大阵列单元中的一个，以当地入射条件作为该平面无限大阵列单元的照射条件进行求解，以求解得到的表面电流作为该阵列单元的基础表面电流分布，可以避免阵列单元间复杂的互耦计算。
步骤107用同样照射条件下，将PEC参照面上的场分布相对幅值作为权重系数，对每个阵列单元的表面场进行加权，以模拟边缘、互耦等对曲面有限大结构上场分布的影响。用PEC参照面上的相对表面电流幅值来修正阵列单元上的表面电流分布，相当于用经验法来计入边缘和阵列单元间互耦的影响程度，简化了边缘和互耦的计算量。
现有的求解表面电流幅值分布的方法包括矩量法，图6为本发明实施例1所提供的矩量法求解的圆柱面无介质加载阵列单元的表面电流幅值分布图，图6具体为用矩量法(MethodofMoments，MoM)求解得到的一个圆柱面无介质加载阵列单元在8GHz、TE极化平面波垂直柱面照射下阵列单元上表面电流幅值Ai的分布；其中柱面张角120度，阵列单元规模为50*50(行*列)，阵列单元为正方形排列、周期为8mm；单元为圆环形缝隙单元，内环半径5.0mm，外环半径5.6mm。图7为本发明实施例1所提供的矩量法求解的PEC参照面的表面电流幅值分布图，具体为用矩量法(MoM)求解得到的图5所示模型的PEC参照面在同样照射条件下表面电流幅值的分布。从图6和图7中可以看出，表面电流的大范围分布情况基本一致，所以阵列单元的存在对表面电流的宏观分布没有影响；表面电流只受曲面和边缘这些宏观特征的影响。
图8为本发明实施例1所提供的本方法与MoM方法计算的雷达散射截面积方向对比图，从图8中可以看出，在8GHz、TE极化垂直入射下，本方法得到的雷达散射截面积7比MoM方法得到的雷达散射截面积8在所有接受方位角下的误差均较小，图8中0-330表示接受方位角，RCS表示雷达散射截面积(Radar Cross-Section)，dBsm表示雷达散射截面积的单位：分贝平米。
步骤109通过每个阵列单元的平面无限大场解的加权叠加得到整个曲面结构的总散射场；如果所有阵列单元的加权系数Ai均取1时，相当于未考虑阵列单元间互耦程度和边缘影响。本实施例1的频率选择表面结构散射场确定方法可以具体应用于雷达罩，通过散射场二次分析可以得到雷达罩绝大部分的电性能指标。
本实施例1的频率选择表面结构散射场确定方法精确考虑阵列单元位置不同带来的影响，通过半经验方法考虑阵列单元间互耦程度和边缘贡献，在透射和反射主瓣方向散射场的计算有较高的精度；设阵列单元总数为M，有限元法每个阵列单元上未知数数量为N，计算平面无限大频率选择表面电性能时阵列单元上基函数数量为n，PEC参照面上平均每个阵列单元上未知数数量为q，则本方法的计算量为O(Mn2+M2q2)，有限元法为O(M2N2)，n,q＜＜N，所以可见本实施例1频率选择表面结构散射场确定方法的计算量远小于有限元法，且当频率选择表面结构存在薄介质时差异更为明显。
实施例2
本实施例提供一种频率选择表面结构散射场确定系统。图9为本发明实施例2所提供的频率选择表面结构散射场确定系统的系统结构图。参见图9，一种频率选择表面结构散射场确定系统，包括：
入射条件获取模块201，用于获取频率选择表面结构的入射条件。入射条件包括：入射频率f、入射方向和电场极化方向等。频率选择表面结构为可以计算面积的曲面，即曲面有限大频率选择表面结构，频率选择表面结构包括多个阵列单元。
单元信息模块202，用于获取每个阵列单元的单元信息，单元信息包括：第i个阵列单元的中心位置中心位置法向阵列单元转角参考方向阵列单元局部周期距离和阵列单元局部周期方向
局部坐标系模块203，用于通过单元信息建立每个阵列单元的局部坐标系。局部坐标系模块203具体包括：以第i个阵列单元的中心位置为坐标原点、阵列单元转角参考方向为x轴方向、中心位置法向为z轴方向建立每个阵列单元的局部坐标系。
其中局部坐标系的z轴表示为： 表示阵列单元局部坐标系的z轴方向。
当地入射条件模块204，用于根据入射条件和局部坐标系计算每个阵列单元的当地入射条件。
当地入射条件模块204具体包括：局部坐标系的y轴为中心位置法向与阵列单元转角参考方向的叉积，表示为： 表示阵列单元局部坐标系的y轴方向。
频率选择表面结构全局坐标系的任意矢量在第i个阵列单元的局部坐标系中表示为：
其中，表示第i个阵列单元的局部坐标系中的矢量
则入射方向和电场极化方向在局部坐标系下表示为：
其中，表示第i个阵列单元局部坐标系下的入射方向，表示第i个阵列单元局部坐标系下的入射电场方向。
局部坐标系下的电场极化方向分为横电场(Transverse electric fieldpolarization，TE)极化电场方向和横磁场(Transverse magnetic field polarization，TM)极化电场方向，局部坐标系下的TE极化电场方向和TM极化电场方向分别表示为：
其中，表示TE极化电场方向；表示TM极化电场方向。
入射电场在局部坐标系的两个电场极化方向上的分量分别表示为：
其中，ce,0,i表示第i个阵列单元局部坐标系下入射电场的TE极化分量；ce,1,i表示第i个阵列单元局部坐标系下入射电场的TM极化分量。
局部坐标系下的阵列单元周期矢量：阵列单元局部周期矢量和在局部坐标系下分别表示为：
其中，表示第i个阵列单元局部坐标系下的阵列单元局部周期距离表示第i个阵列单元局部坐标系下的阵列单元局部周期方向
场量计算模块205，用于通过当地入射条件计算每个阵列单元的场量。
场量计算模块205包括：
场量计算单元，用于根据每个阵列单元的当地入射条件通过周期矩量法计算每个阵列单元的场量。场量计算单元具体包括：分别将每个阵列单元当作频率选择表面结构阵列单元中的一个阵列单元，用周期矩量法计算阵列单元上的场量。
频率选择表面结构全局坐标系的任意位置矢量在第i个阵列单元的局部坐标系中表示为：
其中，表示全局坐标系中的位置矢量；xlcl,i表示在第i个阵列单元局部坐标系x轴上的位置；ylcl,i表示在第i个阵列单元局部坐标系y轴上的位置；zlcli表示在第i个阵列单元局部坐标系z轴上的位置；表示的切向分量。
第i个阵列单元上照射面和出射面的等效表面电流在局部坐标系下表示为
其中，表示第i个阵列单元照射面上由TE极化单位入射电场激发的等效表面电流；表示第i个阵列单元照射面上由TM极化单位入射电场激发的等效表面电流；表示第i个阵列单元照射面上由TE极化单位入射电场激发的等效表面电流；表示第i个阵列单元照射面上由TM极化单位入射电场激发的等效表面电流；di表示频率选择表面结构在中心位置的厚度；Elei表示第i个阵列单元在xlcl,iOylcl,i平面上的投影区域。
参照面模块206，用于通过单元信息获取PEC参照面和阵列单元场幅值参考位置。
参照面模块206包括：
第一判断单元，用于当频率选择表面结构的厚度小于切向特征尺寸的1/50时，PEC参照面为照射表面，阵列单元场幅值参考位置即第i个阵列单元的幅值参考位置为第i个阵列单元的中心位置切向特征尺寸为频率选择表面结构的一个薄壁结构表面两个方向的最窄或最短尺寸。
第二判断单元，用于当频率选择表面结构的厚度大于切向特征尺寸的1/50时，PEC参照面为频率选择表面结构导电层的平均曲面，每个阵列单元的幅值参考位置为局部坐标系的z轴与PEC参照面的交点
加权系数模块207，用于通过PEC参照面计算每个阵列单元场量的加权系数。
加权系数模块207包括：
加权系数单元，用于根据参照面通过有限元方法和物理光学方法计算每个阵列单元场量的加权系数。加权系数单元具体包括：分别用有限元方法和物理光学方法计算同样照射条件下PEC参照面上的表面电流分布，有限元方法计算的在处表面电流的有限元解为JFEM,i，物理光学方法计算的在处表面电流的物理光学解为JPO,i，则第i个阵列单元场量的加权系数
辐射场模块208，用于通过单元信息计算每个阵列单元的辐射场。
辐射场模块208包括：
辐射场单元，用于根据单元信息通过电矢位法计算每个阵列单元的辐射场。辐射场单元具体包括：单个阵列单元在任意散射方向上的远场辐射电场采用电矢位法求解为：
其中，表示的远场辐射电场；表示频率选择表面结构的表面电流；j表示虚数单位；ω表示角频率；μ表示真空磁导率；k表示自由空间波数；R表示源场距离，即从源点到场点的距离；π表示圆周率；Ele表示整个阵列单元表面构成的积分区域，即单元照射表面和出射表面构成的积分区域；表示面积微元ds'处的位置矢量。
将第i个阵列单元上的等效表面电流作为代入远场辐射电场的公式，可以得到：
式中，表示第i个阵列单元的远场辐射电场；表示第i个单元的面积；当r＝0时，ce,r,i＝ce,0,i表示第i个阵列单元局部坐标系下入射电场的TE极化分量，表示第i个阵列单元照射面上由TE极化单位入射电场激发的等效表面电流，表示第i个阵列单元照射面上由TE极化单位入射电场激发的等效表面电流；当r＝1时，ce,r,i＝ce,1,i表示第i个阵列单元局部坐标系下入射电场的TM极化分量，表示第i个阵列单元照射面上由TM极化单位入射电场激发的等效表面电流，表示第i个阵列单元照射面上由TM极化单位入射电场激发的等效表面电流。
总散射场模块209，用于通过辐射场和加权系数计算频率选择表面结构的总散射场。辐射场为第i个阵列单元的远场辐射电场。
总散射场模块209包括：
叠加单元，用于将每个阵列单元的辐射场根据加权系数进行叠加，得到频率选择表面结构的总散射场。叠加单元具体包括：将每个阵列单元在任意散射方向上的远场辐射电场按照权重系数Ai叠加，得到整个曲面有限大频率选择表面结构的近似总散射场：
式中，表示总散射场，i表示整个曲面有限大频率选择表面结构上阵列单元的数目。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种频率选择表面结构散射场确定方法，其特征在于，包括：
获取频率选择表面结构的入射条件；
获取每个所述阵列单元的单元信息，所述单元信息包括：中心位置、中心位置法向、阵列单元转角参考方向、阵列单元局部周期距离和阵列单元局部周期方向；
通过所述单元信息建立每个所述阵列单元的局部坐标系；
根据所述入射条件和所述局部坐标系计算每个所述阵列单元的当地入射条件；
通过所述当地入射条件计算每个所述阵列单元的场量；
通过所述单元信息获取理想导体参照面和阵列单元场幅值参考位置；
通过所述参照面计算每个所述阵列单元场量的加权系数；
通过所述单元信息计算每个所述阵列单元的辐射场；
通过所述辐射场和所述加权系数计算所述频率选择表面结构的总散射场。
2.根据权利要求1所述的频率选择表面结构散射场确定方法，其特征在于，所述通过所述当地入射条件计算每个所述阵列单元的场量，具体包括：根据所述每个所述阵列单元的当地入射条件通过周期矩量法计算每个所述阵列单元的场量。
3.根据权利要求1所述的频率选择表面结构散射场确定方法，其特征在于，所述通过所述单元信息获取理想导体参照面和阵列单元场幅值参考位置，具体包括：
当所述频率选择表面结构的厚度小于切向特征尺寸的1/50时，所述参照面为照射表面，所述阵列单元场幅值参考位置为所述中心位置；
当所述频率选择表面结构的厚度大于切向特征尺寸的1/50时，所述参照面为所述频率选择表面结构导电层的平均曲面，所述阵列单元场幅值参考位置为所述局部坐标系的z轴与所述参照面的交点。
4.根据权利要求1所述的频率选择表面结构散射场确定方法，其特征在于，所述通过所述参照面计算每个所述阵列单元场量的加权系数，具体包括：根据所述参照面通过有限元方法和物理光学方法计算每个所述阵列单元场量的加权系数。
5.根据权利要求1所述的频率选择表面结构散射场确定方法，其特征在于，所述通过所述单元信息计算每个所述阵列单元的辐射场，具体包括：根据所述单元信息通过电矢位法计算每个所述阵列单元的辐射场。
6.根据权利要求1所述的频率选择表面结构散射场确定方法，其特征在于，所述通过所述辐射场和所述加权系数计算所述频率选择表面结构的总散射场，具体包括：
将每个所述阵列单元的辐射场根据所述加权系数进行叠加，得到所述频率选择表面结构的总散射场。
7.一种频率选择表面结构散射场确定系统，其特征在于，包括：
入射条件获取模块，用于获取频率选择表面结构的入射条件；
单元信息模块，用于获取每个所述阵列单元的单元信息，所述单元信息包括：中心位置、中心位置法向、阵列单元转角参考方向、阵列单元局部周期距离和阵列单元局部周期方向；
局部坐标系模块，用于通过所述单元信息建立每个所述阵列单元的局部坐标系；
当地入射条件模块，用于根据所述入射条件和所述局部坐标系计算每个所述阵列单元的当地入射条件；
场量计算模块，用于通过所述当地入射条件计算每个所述阵列单元的场量；
参照面模块，用于通过所述单元信息获取理想导体参照面和阵列单元场幅值参考位置；
加权系数模块，用于通过所述参照面计算每个所述阵列单元场量的加权系数；
辐射场模块，用于通过所述单元信息计算每个所述阵列单元的辐射场；
总散射场模块，用于通过所述辐射场和所述加权系数计算所述频率选择表面结构的总散射场。
8.根据权利要求7所述的频率选择表面结构散射场确定系统，其特征在于，所述场量计算模块具体包括：
场量计算单元，用于根据每个所述阵列单元的当地入射条件通过周期矩量法计算每个所述阵列单元的场量。
9.根据权利要求7所述的频率选择表面结构散射场确定系统，其特征在于，所述加权系数模块具体包括：
加权系数单元，用于根据所述参照面通过有限元方法和物理光学方法计算每个所述阵列单元场量的加权系数。
10.根据权利要求7所述的频率选择表面结构散射场确定系统，其特征在于，所述辐射场模块具体包括：
辐射场单元，用于根据所述单元信息通过电矢位法计算每个所述阵列单元的辐射场。
CN201910558508.6A 2019-06-26 2019-06-26 一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统 Active CN110210177B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910558508.6A CN110210177B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910558508.6A CN110210177B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110210177A true CN110210177A (zh) 2019-09-06
CN110210177B CN110210177B (zh) 2020-11-10

Family

ID=67794760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910558508.6A Active CN110210177B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110210177B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7790978B1 (en) * 2001-08-23 2010-09-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Tandem filters using frequency selective surfaces for enhanced conversion efficiency in a thermophotovoltaic energy conversion system
CN104992001A (zh) * 2015-06-19 2015-10-21 中国人民解放军信息工程大学 大规模mimo阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法
CN105528475A (zh) * 2015-11-27 2016-04-27 哈尔滨工业大学 柱面频率选择表面电磁散射特性的获得方法
CN108959772A (zh) * 2018-07-02 2018-12-07 安徽大学 一种大规模有限周期阵列结构特征模式分析方法
CN109781840A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 中国科学院声学研究所 一种固-液/液-固分层介质的目标定位方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7790978B1 (en) * 2001-08-23 2010-09-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Tandem filters using frequency selective surfaces for enhanced conversion efficiency in a thermophotovoltaic energy conversion system
CN104992001A (zh) * 2015-06-19 2015-10-21 中国人民解放军信息工程大学 大规模mimo阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法
CN105528475A (zh) * 2015-11-27 2016-04-27 哈尔滨工业大学 柱面频率选择表面电磁散射特性的获得方法
CN108959772A (zh) * 2018-07-02 2018-12-07 安徽大学 一种大规模有限周期阵列结构特征模式分析方法
CN109781840A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 中国科学院声学研究所 一种固-液/液-固分层介质的目标定位方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUANG M 等: "Transmission upper limit of band-pass double-layer FSS and method of transmission performance improvement", 《CHINESE JOURNAL OF SYSTEMS ENGINEERING AND ELECTRONICS》 *
MING-YUN LV 等: "Study on the dual-band characteristic of combined element based frequency selective surfaces", 《IEEE INTERNATIONAL WORKSHOP ON ANTENNA TECHNOLOGY》 *
王向峰 等: "一体化曲面共形频率选择表面雷达罩", 《光学 精密工程》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110210177B (zh) 2020-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7403152B2 (en) Method and arrangement for reducing the radar cross section of integrated antennas
Huang et al. Mutual coupling compensation in UCAs: Simulations and experiment
JP6379695B2 (ja) 人工磁気導体及びアンテナ用反射器
CN104484537A (zh) 一种金属桁架式天线罩肋截面尺寸的机电集成优化方法
KR101746338B1 (ko) 전자파 흡수기
CN106656359A (zh) 测量系统
d'Elia et al. A physical optics approach to the analysis of large frequency selective radomes
Zhou et al. Analysis of printed reflectarrays using extended local periodicity
CN208889855U (zh) 新型轴向压缩二维平面透镜天线
CN110210177B (zh) 一种频率选择表面结构散射场确定方法及系统
Bilal et al. Comparison of SBR and MLFMM techniques for the computation of RCS of a fighter aircraft
EP2738875B1 (en) Cassegrain microwave antenna
Zheng et al. A simple method for on-wafer antenna gain measurement
Schuster et al. REACH/PREACH—A physical optics based tool for simulation of radome effects on antenna patterns
Ortiz Impact of edge diffraction in dual-polarized phased array antennas
CN103295492B (zh) 一种基于超材料卫星天线的道路信息显示屏
CN102768216B (zh) 超材料微波成像装置
CN112186351A (zh) 天线罩的球面等积比共形映射方法
Katare et al. Modulation of electromagnetic waves by transparent gradient metasurfaces
CN109216933A (zh) 新型轴向压缩二维平面透镜天线
CN109799395A (zh) 三维信道模型的空间相关性验证方法及系统
CN102694270B (zh) 一种改变电磁波阔度的超材料装置
CN117057098B (zh) 基于物理光学法和等效介质模型的频选天线罩分析方法
EP4037102A1 (en) Electromagnetic wave transmission structure, electromagnetic wave transmission structure array, and electromagnetic wave transmission and shifting method
CN112234352B (zh) 等积比共形映射的球面天线罩

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant