CN121191663B - 一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法及阻抗匹配设计方法 - Google Patents

Abstract

一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法及阻抗匹配设计方法,预测方法包括：实验测量三维结构单胞构型使用的损耗材料的基本电磁参数，假设所述损耗材料是各向同性介质，构型的每层材料按照占空比计算等效电磁参数；根据三维结构单胞构型整体计算分维数，并确定三维结构单胞构型的每层占空比、厚度；通过损耗材料的基本电磁参数和分维数、占空比，构造结构共振效应因子，进而修正阻抗梯度修正系数；建立结构界面宏观等效物理特征参量的模型方程，利用模型方程计算三维结构单胞构型的界面波阻抗和表面反射率。理论与仿真计算的吸收峰频点位置基本一致，宏观等效计算方法可以准确预测吸收峰频点位置，说明了计算方法的有效性。

Description

一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法及阻抗匹配设计 方法

技术领域

本发明涉及一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法，用于解决功能材料结构的电磁性能预测。

背景技术

损耗介质型吸波超结构作为一个近年来的研究热点，通过合理的多尺度构型设计可实现宽带微波吸收，在电磁兼容性、电磁辐射防护和雷达探测伪装等方面发挥着重要作用。微波吸收器对电磁波的作用机制，是通过电磁场与有损耗色散介质的分子和电子结构的相互作用，在材料内部产生加热，目前已经形成一定的认知。然而，对于具有复杂结构构型的吸波材料，缺少一个合理的理论方法计算波阻抗和表面反射率，揭示其在电磁场作用下的电磁响应特性和能量转换规律。

发明内容

本发明的技术解决问题是：通过构建损耗介质型吸波超结构的物理模型，提供一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法。

本发明的技术方案是：一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法,所述的三维结构单胞构型为多层结构；包括：

实验测量三维结构单胞构型使用的损耗材料的基本电磁参数，假设所述损耗材料是各向同性介质，构型的每层材料按照占空比计算等效电磁参数；所述的基本电磁参数包括负介电常数和负磁导率；

根据三维结构单胞构型整体计算分维数，并确定三维结构单胞构型的每层占空比、每层厚度；

通过损耗材料的基本电磁参数和分维数、占空比，构造结构共振效应因子，进而修正阻抗梯度修正系数；

依据修正的阻抗梯度修正系数、每层厚度、等效电磁参数建立结构界面宏观等效物理特征参量的模型方程，利用模型方程计算三维结构单胞构型的界面波阻抗和表面反射率，根据表面反射率预测构型电磁性能。

优选地，所述的结构共振效应因子的计算公式如下：

式中，为第k层材料的占空比，为结构的分维数，为构型所占空间的维数，取值为3。

优选地，阻抗梯度修正系数的计算公式如下：

。

优选地，所述的模型方程为：

式中，为第k层的输入阻抗，为第k层的厚度，为第k层材料复传播常数，为第k层材料的参数本征阻抗。

优选地，在雷达探测的全波段，针对每个频点，计算反射系数，得到当前三维结构单胞构型的反射系数随频率的变化曲线。

一种三维结构单胞构型的阻抗匹配设计方法，包括：

利用所述的电磁性能预测方法确定三维结构单胞构型每层的输入阻抗；判断三维结构单胞构型从表层开始往内，每层的输入阻抗是否按照从大到小排列，若是，则当前三维结构单胞构型阻抗匹配设计完成，否则对每层结构进行占空比或者厚度调整，直至从表层开始往内，每层的输入阻抗按照从大到小排列。

优选地，依据宽频电磁损耗规律进行结构调整。

优选地，当三维结构单胞构型为多层蜂窝构型，则调节过程中，若每层占空比不变，则依据如下规律进行厚度调节：

在结构总厚度变化时，随着单独每一层厚度的增加，吸收峰的频率点向低频段偏移；面层即最外层厚度的增加会导致相应的反射损耗值减小，峰值点所在区域的频率范围变窄，中间层厚度增加会导致相应的反射损耗值减大，峰值点所在区域的频率范围变宽。

优选地，当三维结构单胞构型为多层蜂窝构型，则调节过程中，若构型总厚度不变，则依据如下规律进行调节：

调整中间层或面层的厚度，牺牲峰值点的一部分电磁损耗性能即不考虑吸收峰频点的位置变化，拓宽峰值点所在区域的频率范围，达到有效吸波频段的技术指标。

优选地，当三维结构单胞构型为多层蜂窝构型，则调节过程中，若构型厚度不变，通过依据如下规律进行占空比调节：

每一层的占空比代表了蜂窝构型的壁厚，通过增加面层的壁厚，实现有效吸波带宽在低频段的覆盖；通过减小中间层的壁厚，实现峰值点电磁损耗性能的加强。

本发明与现有技术相比的有益效果：

为了构建损耗介质型吸波超结构的物理模型，本发明依据等效介质理论和传输线理论，通过分析每层介质界面与电磁场的作用关系，引入每层介质的等效电磁参数和描述结构构型几何特征的分维数，采用阻抗传递法计算表层的输入阻抗，进而得到了材料的反射系数。并且本发明进一步可确定在雷达探测的全波段，针对每个频点，计算反射系数，得到反射系数根据随频率的变化曲线，后续根据该变化曲线可以进行实际工程应用。

本发明构造了符合物理意义的材料-结构协同作用的共振效应因子，创建了适用损耗介质型结构界面阻抗的宏观等效计算方法，并形成吸波结构的阻抗匹配设计与性能评价方法。

附图说明

图1为蜂窝结构的构型示意图；

图2为蜂窝结构的理论和仿真计算反射损耗频率谱；

图3为蜂窝结构的材料界面波阻抗模的频率谱。

图4为阶梯椎结构的构型示意图；

图5为阶梯椎结构的理论和仿真计算反射损耗频率谱；

图6为阶梯椎结构的材料界面波阻抗模的频率谱。

图7为木堆结构的构型示意图；

图8为木堆结构的理论和仿真计算反射损耗频率谱；

图9为木堆结构的材料界面波阻抗模的频率谱。

图10为方框结构的构型示意图；

图11为方框结构的理论和仿真计算反射损耗频率谱；

图12为方框结构的材料界面波阻抗模的频率谱。

图13为组合结构1的构型示意图；

图14为组合结构1的理论和仿真计算反射损耗频率谱；

图15为组合结构1的材料界面波阻抗模的频率谱。

图16为组合结构2的构型示意图；

图17为组合结构2的理论和仿真计算反射损耗频率谱；

图18为组合结构2的材料界面波阻抗模的频率谱。

图19为组合结构3的构型示意图；

图20为组合结构3的理论和仿真计算反射损耗频率谱；

图21为组合结构3的材料界面波阻抗模的频率谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。本发明多尺度分维结构组织的一类吸波功能材料及其电磁参数计算方法,步骤如下:

（1）利用矩形波导法实验测量三维结构单胞构型使用的损耗材料的基本电磁参数，假设所述损耗材料是各向同性介质，构型的每层材料按照占空比计算等效电磁参数；所述的基本电磁参数包括负介电常数和负磁导率；

所述的等效介电常数、等效磁导率的计算公式如下：

为第k层材料的占空比，为第k层材料的等效复介电常数，为第k层材料的复介电常数，为空气的复介电常数，取值为1，为第k层材料的等效磁导率，为第k层材料的复磁导率，为空气的复磁导率，取值为1。

（2）根据三维结构单胞构型整体计算分维数，并确定三维结构单胞构型的每层占空比、每层厚度；

采用分形几何学中的计盒维数计算方法对结构构型进行分维数计算。通过下述方式计算分维数：

构建三维结构单胞构型的几何模型，利用不同尺度的立方体网格包含几何模型所占的三维空间；

计算包含对象的立方体网格数量Nr；

对和进行最小二乘法回归分析，拟合线的斜率就是分维数；

其中，r为立方体网格的边长，r 按 10 倍递减，覆盖至少 3 个数量级。

（3）通过损耗材料的基本电磁参数和分维数、占空比，构造结构共振效应因子，进而修正阻抗梯度修正系数；

所述的结构共振效应因子的计算公式如下：

式中，为结构的分维数，为构型所占空间的维数，取值为3。

阻抗梯度修正系数的计算公式如下：

（4）依据修正的阻抗梯度修正系数、每层厚度、等效电磁参数，建立具有适应性和相容性的结构界面宏观等效物理特征参量的模型方程，计算损耗介质型结构的界面波阻抗和表面反射率，根据表面反射率预测构型电磁性能。

所述的模型方程即三维结构单胞构型的第k层的输入阻抗为：

；

如果有反射被衬，取值为0；如果没有反射被衬，取值为1。

式中，为第k层的厚度。

第k层材料的参数本征阻抗的计算公式如下：

式中，为等效介电常数，为等效磁导率。

第k层材料复传播常数的计算公式如下：

式中，为等效介电常数，为等效磁导率，c为光速，f为频率。

所述的结构表面的反射系数的计算公式如下：

式中，为结构表面的输入阻抗。

本发明还提供一种三维结构单胞构型的阻抗匹配设计方法，包括：

利用所述的电磁性能预测方法确定三维结构单胞构型每层的输入阻抗；判断三维结构单胞构型从表层开始往内，每层的输入阻抗是否按照从大到小排列，若是，则当前三维结构单胞构型阻抗匹配设计完成，否则对每层结构进行占空比或者厚度调整，直至从表层开始往内，每层的输入阻抗按照从大到小排列。

本发明三维结构单胞构型包括蜂窝构型、阶梯椎构型、木堆构型、方框构型、组合构型；蜂窝构型为多层蜂窝梯度排布，按照由大到小堆叠；阶梯椎构型为多层正方体梯度排布，按照由大到小堆叠；木堆构型为多层交错排布的长方体；方框构型为多层方框梯度排布，按照由大到小堆叠；组合构型为多层排布的长方体和方框。

本发明通过大量研究揭示具有拓扑结构的吸波材料的宽频电磁损耗规律。以多层蜂窝构型为例，通过大量的研究及试验，进行吸收峰频点位置分析及相关影响因素分析，确定厚度对吸收峰频点位置的影响、占空比对吸收峰频点位置的影响规律，依据得到的规律就可能快速的完成对构型的调节。

（1）在对于吸收峰频点位置的影响因素分析中，以构型01蜂窝结构作为研究对象。在结构总厚度变化时，随着单独每一层厚度的增加，吸收峰的频率点出现向低频段偏移的现象。峰值点的反射损耗值变化规律有所不同，面层（第4层）厚度的增加会导致相应的反射损耗值减小，峰值点所在区域的频率范围变窄，中间层（第2层和第3层）厚度增加导致的变化规律则与之相反。因此，在结构设计中，若考虑覆盖低频范围的有效吸波，则应增加总厚度的同时，需要平衡面层与中间层的厚度匹配，实现最小反射损耗的减小和峰值点所在区域的频率范围变宽。

（2）在结构总厚度不变时，通过调整其中某两层的厚度变化，表明随着中间层厚度的增加，吸收峰频点位置基本不变，相应的反射损耗值增加，峰值点所在区域的频率范围变宽。因此，在结构设计中，结构总厚度有约束时，可以通过调整中间层或面层的厚度，牺牲峰值点的一部分电磁损耗性能，从而拓宽峰值点所在区域的频率范围，达到有效吸波频段的技术指标。

（3）在厚度不变占空比变化时，每一层占空比的变化引起的吸收峰频点位置变化都有所不同。对于中间层，随着第2层占空比的减小，吸收峰频点位置向高频方向移动，对应的反射损耗值减小，峰值点所在区域的频率范围变窄。随着第3层占空比的减小，吸收峰频点位置基本不变，第1个吸收峰对应的反射损耗值减小，峰值点所在区域的频率范围变窄，第2个吸收峰对应的反射损耗值增加，峰值点所在区域的频率范围变宽。对于面层，随着第4层占空比的减小，吸收峰频点位置向高频方向移动，对应的反射损耗值呈减小趋势，峰值点所在区域的频率范围变窄。因此，在结构设计中，每一层的占空比代表了蜂窝构型的壁厚，通过增加面层的壁厚，可以实现有效吸波带宽在低频段的覆盖；通过减小中间层的壁厚，可以实现峰值点电磁损耗性能的加强。

实施例 1

为了进一步说明该方案的优点，按照本发明所述的方法进行了构型01蜂窝结构的界面波阻抗和表面反射率计算：

构型01蜂窝结构的表面反射率理论与仿真计算对比如图2所示，宏观等效计算得出，在2-18 GH频段内，出现了三个吸收峰，频点位置分别为2.4 GHz，7.4 GHz，13.3 GHz，对应的反射损耗为-11.7 dB，-21.8 dB，-24.1 dB，小于-10 dB的有效吸波带宽2.4-2.7 GHz和5.4-18 GHz，小于-8 dB的吸波带宽2.4-3.2 GHz和4.6-18 GHz。仿真计算得出，在2-18GH频段内，出现了三个吸收峰，频点位置分别为2.8 GHz，7.7 GHz，15.5 GHz，对应的反射损耗为-26.5 dB，-26.6 dB，-31.7 dB，小于-10 dB的有效吸波带宽2.2-18 GHz。通过对比分析，理论与仿真计算的吸收峰频点位置基本一致，宏观等效计算方法可以准确预测吸收峰频点位置，在频率范围内，吸收峰频点位置出现在S波段、C波段和Ku波段。

蜂窝结构的界面波阻抗模的频率谱如图3所示，在2-2.4 GHz频率范围，界面波阻抗模的数值变化较大，造成阻抗不匹配，在2.4-18 GHz频率范围内，4个界面波阻抗模的数值在0.3-1.2范围内变化，在6.1-18 GHz内的阻抗梯度变化较好，导致在这个频段范围内反射损耗值均达到小于-10 dB。三个吸收峰频点位置的波阻抗模分别为（0.67、0.49、0.30、0.12），（0.85、0.66、0.34、0.60），（0.88、0.48、0.62、0.26）。吸收峰频点位置的波阻抗匹配度较好，并且表面波阻抗接近自由空间阻抗，在吸收峰频点位置区域会加强电磁损耗性能。

实施例 2

为了进一步说明该方案的优点，按照本发明所述的方法进行了构型02阶梯椎结构的界面波阻抗和表面反射率计算：

构型02阶梯椎结构的表面反射率理论与仿真计算对比如图5所示，宏观等效计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了3个吸收峰，频点位置分别为2.4 GHz，6.5 GHz，13.2 GHz，对应的反射损耗为-6.8 dB，-10.0 dB，-9.2 dB，小于-8 dB的吸波频段4.8~18 GHz。仿真计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了2个吸收峰，频点位置分别为2.2 GHz，13.8 GHz，对应的反射损耗为-25.4 dB，-32.9 dB，有效吸波频段2~18 GHz。通过对比分析，宏观等效计算方法预测出的第1个和第3个吸收峰频点位置与仿真计算结果基本一致。从仿真计算结果可以看出，在4~8 GHz频段范围内，反射损耗曲线变化平稳，均达到小于-10 dB，宏观等效计算的第2个峰值点出现在这个频段，可以揭示在此频段内捕捉到的吸收峰有效地扩展了吸波带宽。

构型02阶梯椎结构的界面波阻抗模的频率谱如图6所示，在2~2.4 GHz频率范围，界面波阻抗模的数值变化较大，造成阻抗不匹配，在2.4~18 GHz频率范围内，4个界面波阻抗模的数值在0.24~1.15范围内变化，在9.1~18 GHz内的阻抗梯度变化较好，导致在这个频段范围内反射损耗值均小于-10 dB。3个吸收峰频点位置的波阻抗模分别为（0.55、0.40、0.25、0.12），（0.51、0.40、0.31、0.69），（0.48、0.37、0.40、0.26）。第1个和第3个吸收峰频点位置的波阻抗匹配度较好，会出现明显的最小反射损耗峰值。第2个吸收峰频点位置的波阻抗匹配度不佳，在仿真计算中没有捕捉到明显的峰值。

实施例 3

为了进一步说明该方案的优点，按照本发明所述的方法进行了构型03木堆结构的界面波阻抗和表面反射率计算：

构型03木堆结构的表面反射率理论与仿真计算对比如图8所示，宏观等效计算得出，在2~18 GHz频段内，出现3个吸收峰，频点位置分别为6.1 GHz，11.3 GHz，16.3 GHz，对应的反射损耗为-18.7 dB，-15.6 dB，-10.1 dB，有效吸波频段4.5~18 GHz，小于-8 dB的吸波频段3.9~18 GHz。仿真计算得出，在2~18 GHz频段内，出现3个吸收峰，频点位置分别为2.3 GHz，7.1 GHz，13.0 GHz，对应的反射损耗为-18.3 dB，-19.8 dB，-13.0 dB，有效吸波频段2~3.2 GHz，5.2~15.2 GHz。通过对比分析，理论与仿真计算的反射损耗随频率的变化趋势基本一致，宏观等效计算方法预测出的2个吸收峰频点位置与仿真计算结果比较接近，出现在C波段和Ku波段。

构型03木堆结构的界面波阻抗模的频率谱如图9所示，在2~3.7 GHz频率范围，界面波阻抗模的数值变化较大，造成阻抗不匹配，在3.7~18 GHz频率范围内，4个界面波阻抗模的数值在0.16~1.16范围内变化，在7.6~18 GHz内的阻抗梯度变化较好，导致在这个频段范围内反射损耗值均达到小于-10 dB。结构表面的波阻抗值在低频段大于自由空间波阻抗，导致在低频段的反射损耗值未达到有效吸波。此外，临近底层界面的波阻抗模在中高频段内的数值较大，导致反射损耗的变化趋势增加，但未造成较大影响。由此可见，表层波阻抗影响电磁波入射，中间层影响电磁波的耗散。木堆结构的构型设计需要进一步调整几何特征尺寸，重点在于设计层数与占空比的参数组合。

实施例 4

为了进一步说明该方案的优点，按照本发明所述的方法进行了构型04组合结构的界面波阻抗和表面反射率计算：

构型04组合结构的表面反射率理论与仿真计算对比如图11所示，宏观等效计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了3个吸收峰，频点位置分别为2.4 GHz，7.8 GHz，15.0 GHz，对应的反射损耗为-13.1 dB，-10.9 dB，-14.0 dB，有效吸波频段2.3~2.7 GHz和6.6~18 GHz，小于-8 dB的吸波频段2.3~3.0 GHz和5.8~18 GHz。仿真计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了1个吸收峰，频点位置为2.3 GHz，对应的反射损耗为-29.2 dB，有效吸波频段2.0~3.1GHz和6.5~18 GHz。通过对比分析，理论与仿真计算的反射损耗随频率的变化趋势基本一致，宏观等效计算方法预测出的一个吸收峰频点位置与仿真计算结果一致，出现在S波段。在S波段之后，仿真计算的反射损耗曲线变化平稳，宏观等效计算的第2个和第3个峰值点出现在C波段和Ku波段，揭示出在中高频段范围内有效吸波带宽的扩展。

构型04组合结构的界面波阻抗模的频率谱如图12所示，在2~2.4 GHz频率范围，界面波阻抗模的数值变化较大，造成阻抗不匹配，在2.4~18 GHz频率范围内，4个界面波阻抗模的数值在0.19~0.90范围内变化，在6.8~18 GHz内的阻抗梯度变化较好，导致在这个频段范围内反射损耗值均达到小于-10 dB。3个吸收峰频点位置的波阻抗模分别为（0.40、0.30、0.19、0.09），（0.57、0.45、0.29、0.43），（0.88、0.48、0.62、0.26）。由此可见，吸收峰频点位置的表面波阻抗最大且接近自由空间阻抗，电磁波进入结构内部被有效消耗。

实施例 5

为了进一步说明该方案的优点，按照本发明所述的方法进行了构型05组合结构的界面波阻抗和表面反射率计算：

构型05组合结构的表面反射率理论与仿真计算对比如图14所示，宏观等效计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了2个吸收峰，频点位置分别为2.1 GHz，5.3 GHz，对应的反射损耗为-11.3 dB，-8.6 dB，小于-8 dB的有效吸波频段2.0~2.4 GHz和4.5~18 GHz。仿真计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了2个吸收峰，频点位置分别为2.4 GHz，7.3 GHz，对应的反射损耗为-30.1 dB，-18.4 dB，有效吸波频段2~18 GHz。通过对比分析，理论与仿真计算的反射损耗曲线的变化趋势基本一致，理论与仿真计算的吸收峰频点位置基本一致，宏观等效计算方法可以准确预测吸收峰频点位置，在频率范围内，吸收峰频点位置出现在S波段、C波段。

构型05组合结构的界面波阻抗模的频率谱如图15所示，2个吸收峰频点位置的波阻抗模分别为（1.67、0.36、0.17），（0.46、0.37、0.79），3个界面波阻抗模的数值在0.17~1.67范围内变化。在低频点虽然波阻抗的数值变化较大，但由于表面波阻抗的值在1.0附近变化，较接近自由空间的波阻抗，并且界面波阻抗梯度变化，导致对于电磁波的损耗出现了第一个峰值点。在中高频段，由于表面波阻抗偏小，界面波阻抗没有形成较好的过渡，导致反射损耗曲线逐渐上移。

实施例 6

为了进一步说明该方案的优点，按照本发明所述的方法进行了构型06组合结构的界面波阻抗和表面反射率计算：

构型06组合结构的表面反射率理论与仿真计算对比如图17所示，宏观等效计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了3个吸收峰，频点位置分别为2.5 GHz，7.9 GHz，15.1 GHz，对应的反射损耗为-7.2 dB，-8.9 dB，-9.8 dB，小于-8 dB的吸波频段6.8~9.6 GHz和13.3~17.0 GHz。仿真计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了2个吸收峰，频点位置分别为2.5 GHz，7.3 GHz，对应的反射损耗为-23.5 dB，-7.8 dB，有效吸波频段2.0~3.5 GHz。通过对比分析，理论与仿真计算的反射损耗曲线的变化趋势基本一致，宏观等效计算方法预测出的第1个和第2个吸收峰频点位置与仿真计算结果基本一致，在频率范围内，吸收峰频点位置出现在S波段、C波段。

构型06组合结构的界面波阻抗模的频率谱如图18所示，4个界面波阻抗模的数值在0.1~1.5范围内变化，在2.0~2.5 GHz内的阻抗梯度变化较好，导致在这个频段范围内反射损耗值较低，表明低频段的电磁损耗性能较好。在较大频段范围内，由于结构表面波阻抗与自由空间波阻抗相差较大，而且4个界面出的波阻抗没有形成梯度变化，导致电磁波不容易入射结构内部，小于-10 dB的有效吸波带宽较窄。宏观等效计算与仿真计算的结果比较一致。

实施例 7

为了进一步说明该方案的优点，按照本发明所述的方法进行了构型07组合结构的界面波阻抗和表面反射率计算：

构型07组合结构的表面反射率理论与仿真计算对比如图20所示（，宏观等效计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了2个吸收峰，频点位置分别为2.5 GHz，11.5 GHz，对应的反射损耗为-15.8 dB，-9.2 dB，有效吸波频段2.4~2.7 GHz和5.4~18 GHz，小于-8 dB的吸波频段2.3~3.2 GHz。仿真计算得出，在2~18 GHz频段内，出现了1个吸收峰，频点位置为2.9GHz，对应的反射损耗为-22.0 dB，频段范围内的有效吸波频段2.4~3.8 GHz。通过对比分析，理论与仿真计算的反射损耗曲线的变化趋势基本一致，宏观等效计算方法预测出的第1个吸收峰频点位置与仿真计算结果基本一致，宏观等效计算方法可以准确预测吸收峰频点位置，在频率范围内，吸收峰频点位置出现在S波段、X波段。

构型07组合结构的界面波阻抗模的频率谱如图21所示，吸收峰频点位置的波阻抗模为（1.4、0.76、0.23、0.11），4个界面波阻抗模的数值在0.1~1.5范围内变化，在2.0~3.1GHz内的阻抗梯度变化较好，并且表面波阻抗模接近自由空间波阻抗，导致在这个频段范围内反射损耗值较低，表明低频段的电磁损耗性能较好。在较大频段范围内，由于结构表面波阻抗与自由空间波阻抗相差较大，而且4个界面出的波阻抗没有形成梯度变化，导致电磁波不容易入射结构内部，小于-10 dB的有效吸波带宽较窄。宏观等效计算与仿真计算的结果比较一致。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法,所述的三维结构单胞构型为多层结构；其特征在于:包括

实验测量三维结构单胞构型使用的损耗材料的基本电磁参数，假设所述损耗材料是各向同性介质，构型的每层材料按照占空比计算等效电磁参数；所述的基本电磁参数包括负介电常数和负磁导率；

根据三维结构单胞构型，采用分形几何学中的计盒维数计算方法计算构型整体的分维数，并确定三维结构单胞构型的每层占空比、每层厚度；

通过损耗材料的基本电磁参数和分维数、占空比，构造结构共振效应因子，进而修正阻抗梯度修正系数；

依据修正的阻抗梯度修正系数、每层厚度、等效电磁参数建立结构界面宏观等效物理特征参量的模型方程，利用模型方程计算三维结构单胞构型的界面波阻抗和表面反射率，根据表面反射率预测构型电磁性能;

所述的结构共振效应因子的计算公式如下：

式中，为第k层材料的占空比，为结构的分维数，为构型所占空间的维数，取值为3;

所述的模型方程为：

式中，为第k层的输入阻抗即界面波阻抗，为第k层的厚度，为第k层材料复传播常数，为第k层材料的参数本征阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法，其特征在于：阻抗梯度修正系数的计算公式如下：

。

3.根据权利要求1所述的一种三维结构单胞构型的电磁性能预测方法，其特征在于：在雷达探测的全波段，针对每个频点，计算反射系数，得到当前三维结构单胞构型的反射系数随频率的变化曲线。

4.一种三维结构单胞构型的阻抗匹配设计方法，其特征在于包括：

利用权利要求1所述的电磁性能预测方法确定三维结构单胞构型每层的输入阻抗；判断三维结构单胞构型从表层开始往内，每层的输入阻抗是否按照从大到小排列，若是，则当前三维结构单胞构型阻抗匹配设计完成，否则对每层结构进行占空比或者厚度调整，直至从表层开始往内，每层的输入阻抗按照从大到小排列。

5.根据权利要求4所述的一种三维结构单胞构型的阻抗匹配设计方法，其特征在于：依据宽频电磁损耗规律进行结构调整。

6.根据权利要求5所述的一种三维结构单胞构型的阻抗匹配设计方法，其特征在于：当三维结构单胞构型为多层蜂窝构型，则调节过程中，若每层占空比不变，则依据如下规律进行厚度调节：

在结构总厚度变化时，随着单独每一层厚度的增加，吸收峰的频率点向低频段偏移；面层即最外层厚度的增加会导致相应的反射损耗值减小，峰值点所在区域的频率范围变窄，中间层厚度增加会导致相应的反射损耗值减大，峰值点所在区域的频率范围变宽。

7.根据权利要求5所述的一种三维结构单胞构型的阻抗匹配设计方法，其特征在于：当三维结构单胞构型为多层蜂窝构型，则调节过程中，若构型总厚度不变，则依据如下规律进行调节：

调整中间层或面层的厚度，牺牲峰值点的一部分电磁损耗性能即不考虑吸收峰频点的位置变化，拓宽峰值点所在区域的频率范围，达到有效吸波频段的技术指标。

8.根据权利要求5所述的一种三维结构单胞构型的阻抗匹配设计方法，其特征在于：当三维结构单胞构型为多层蜂窝构型，则调节过程中，若构型厚度不变，通过依据如下规律进行占空比调节：

每一层的占空比代表了蜂窝构型的壁厚，通过增加面层的壁厚，实现有效吸波带宽在低频段的覆盖；通过减小中间层的壁厚，实现峰值点电磁损耗性能的加强。