一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构及其构建方法技术

一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构及其构建方法，本发明专利技术涉及一种在特定频带内可加强电磁波传播的电磁硬表面结构及其构建方法，属于微波技术领域。该电磁硬表面结构由磁性介质层和相距宽度为g的矩形金属贴片沿磁性介质层长边方向依次排列组成的金属贴片层构成。磁性介质层完全覆盖金属贴片层底部，厚度为d，宽度为l，长度为h；金属贴片宽度为w，长度为l；exp(4πd/(w+d))＞1，g/w＜0.2，(w+g)/λ0＜0.25，λ0＝c/f0，l＝2π(r+d)，h＝n×(w+g)-g，n≥4，n为正整数，λ0为自由空间中入射波的工作波长，c为自由空间中光速，f0为自由空间中入射波的工作频率。所述电磁硬表面结构应用时加载于金属圆柱体侧表面。本发明专利技术可直接应用于减小金属圆柱体对电磁波的前向散射。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构及其构建方法
本专利技术涉及一种在特定频带内可减小金属圆柱电磁散射的电磁硬表面结构及其构建方法，属于微波

技术介绍
金属圆柱是电磁散射问题的典型体，研究其电磁散射特性可推动复杂目标散射特性研究。金属圆柱靠近天线，基于“Babinet”原理其散射可看作一种缝隙散射，引起天线副瓣增加，增益减小，例如在卡塞格伦天线中由于馈源金属圆柱支架的存在，导致其电性能退化明显。在微波暗室中，圆柱形的金属支架具有泡沫支架所不具备的高强度，得到广泛应用，然而其散射特性影响测试精度。为了减小金属圆柱体对电磁波的散射，研究人员提出了许多不同的方法。其中广泛采用超材料隐身罩，即通过对材料和结构的设计使电磁波在超材料罩中绕行从而减小前向散射。然而，该方法设计非常复杂，超材料隐身罩一般较为笨重，成本很高，且带宽也很窄，不适应于实际应用。电磁硬表面结构具有加强特定方向电磁波传播的性质，可应用于减小金属圆柱体对电磁波的散射。相对于超材料隐身罩结构，其设计简单，成本低，且带宽较宽。目前电磁硬表面的研究主要关注两方面：一是硬表面带宽的展宽，二是小型化技术。前期研究中，Per-SimonKildal提出利用硬表面减小金属柱体散射，并给出一种电磁硬表面设计方法。例如在中心频率为4.2GHz时根据其设计公式得到的硬表面厚度约为9.41mm，相对带宽约为14.3％。但该方法所得电磁硬表面结构在应用于较低频率时，厚度较厚且质量重，不适于实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在问题或不足，提出一种金属圆柱体的电磁硬表面结构。该电磁硬表面结构由金属贴片层，磁性介质层构成；磁性介质层完全覆盖金属贴片层底部，厚度为d，宽度为l，长度为h；金属贴片层由相距宽度为g的矩形金属贴片沿磁性介质层长边方向依次排列组成，金属贴片宽度为w，长度为l，其材料为高电导率金属,所述电磁硬表面应用时沿金属贴片层宽边方向环绕加载于金属圆柱体侧表面，金属圆柱体的高度为h，半径为r，g/w＜0.2，(w+g)/λ0＜0.25，λ0＝c/f0，l＝2π(r+d)，h＝n×(w+g)±g，n≥4，n为正整数，λ0为自由空间中入射波的工作波长，c为自由空间中光速，f0为自由空间中入射波的工作频率。磁性介质层所用磁性材料的磁导率大于1。其构建方法为：步骤一：在Ansoft-HFSS中建立一个平面型电磁硬表面单元模型，该模型由三部分构成，自上而下依次是金属贴片层，磁性介质层，地层；金属贴片层与地层均设为理想电导体，在建立的电磁硬表面单元模型上构建一个尺寸同其贴合的长方体空气盒子，电磁硬表面单元模型位于空气盒子的中心，空气盒子高度是磁性介质层的16倍，在空气盒的顶端设置FloquetPort端口，边界条件设置为主从边界条件Master/Slave，仿真平面波反射相位随着频率的变化关系，扫描优化得到反射相位在零度时所对应频率位于中心频率附近范围的平面型电磁硬表面结构参数尺寸；步骤二：将步骤一针对中心频率优化所得的平面型电磁硬表面结构参数尺寸应用到环形电磁硬表面中，在FEKO中建立金属圆柱加载电磁硬表面的模型，在中心频率范围内仿真该模型的单站雷达散射截面RCS，由于电磁硬表面加载于金属圆柱体表面，所以电磁硬表面不需要地层部分，该模型由三部分构成，自内而外依次是金属圆柱体，磁性介质层，金属贴片层；金属圆柱与金属贴片层中的所有金属贴片均为理想导体；步骤三：在FEKO中建立步骤二中未加载硬表面的金属圆柱体模型，金属圆柱体为理想导体，计算步骤一确定的中心频率范围内该模型的单站RCS；步骤四：依据步骤一至三得到的各个参数设计制备电磁硬表面结构。本专利技术所设计电磁硬表面结构特点为：将相距非常近的金属贴片加载于接地的磁性材料上，在特定频率该结构具备高阻抗特性进而构成电磁硬表面。而Per-SimonKildal等提出的电磁硬表面结构则仅通过一定厚度的非磁性介质来实现高阻抗特性进而构造电磁硬表面。同其相比，对于同一中心频率特别是低频应用时，例如4.2GHz时，本专利技术的电磁硬表面厚度为2mm，带宽约为22.2％，而Per-SimonKildal等提出的电磁硬表面结构厚度为9.41mm，带宽约为14.3％。综上所述本专利技术与现有的技术相比具有以下优点：1、本专利技术中的电磁硬表面结构较现有电磁硬表面结构而言，带宽更宽；2、该电磁硬表面在应用于减少金属圆柱体电磁散射时厚度大幅度减小。附图说明图1是本专利技术平面型电磁硬表面俯视平面示意图，单位(mm)；图2是本专利技术平面型电磁硬表面单元仿真模型俯视平面示意图；图3是本专利技术平面型电磁硬表面单元仿真模型侧视图；图4是本专利技术平面型电磁硬表面入射波反射相位的HFSS仿真结果示意图；图5是加载电磁硬表面的金属圆柱体俯视图，单位(mm)；图6是加载电磁硬表面的金属圆柱体模型示意图，单位(mm)；图7是未加载电磁硬表面与加载电磁硬表面的金属圆柱体单站RCS计算结果对比示意图。具体实施方式以下参照附图对本专利技术作进一步详细描述。如图6，本专利技术是由一个电磁硬表面单元沿一个方向在金属圆柱体上周期延拓形成的13×1电磁硬表面结构。每个电磁硬表面单元由三部分构成，如图5，自内而外依次是金属圆柱体，磁性介质层，金属贴片层。金属圆柱体，金属贴片均为良导体，金属圆柱体半径r＝12mm，高度h＝94mm，金属贴片宽度w＝6.8mm，贴片之间缝隙宽度g＝0.4mm。磁性介质层厚度为d＝2mm，其介电常数为4.6，磁导率为1.8。本专利技术一种电磁硬表面结构的构建方法，具体实施步骤如下。步骤一：在Ansoft-HFSS中建立一个平面型电磁硬表面单元模型，该模型由三部分构成，自上而下依次是金属贴片层，磁性介质层，地层，如图2，图3所示。金属贴片层与地层均设为理想电导体平面，金属贴片尺寸为6.8×7.2mm2，地层尺寸为7.2×7.2mm2。磁性介质层是尺寸为7.2×7.2×2mm3的矩形块，材料介电常数为4.6，磁导率为1.8。在建立的电磁硬表面单元模型上构建一个尺寸同其贴合的长方体空气盒子，高度是磁性介质层的16倍，电磁硬表面单元位于空气盒子中心。在空气盒的顶端设置FloquetPort端口，边界条件设置为主从边界条件Master/Slave，以驱动模(DrivenModel)在2-14GHz仿真平面波反射相位随着频率的变化关系，扫描优化得到反射相位在零度时所对应频率位于中心频率附近范围的平面型电磁硬表面结构参数尺寸，结果如图4所示，得到反射相位为零时对应的频率约为4.2GHz。本专利技术中对应此频率的电磁硬表面厚度仅为2mm，而Per-SimonKildal等提出的电磁硬表面结构在4.2GHz时所需厚度为9.41mm。步骤二：将步骤一针对中心频率优化所得的平面型电磁硬表面结构参数尺寸应用到环形电磁硬表面中，在FEKO中建立金属圆柱加载电磁硬表面的物理模型，如图5和图6所示。使用矩量法(MoM)计算在频率范围2.5GHz到6GHz内该模型的单站雷达散射截面RCS。该模型由三部分构成，自内而外依次是金属圆柱体，磁性介质层，金属贴片层。金属圆柱体，金属贴片层中的所有金属贴片均为理想导体，金属圆柱体半径r＝12mm，高度h＝94mm，金属贴片宽度w＝6.8mm，贴片之间缝隙宽度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属圆柱体的电磁硬表面结构，由金属贴片层，磁性介质层构成；磁性介质层完全覆盖金属贴片层底部，厚度为d，宽度为l，长度为h；金属贴片层由相距宽度为g的矩形金属贴片沿磁性介质层长边方向依次排列组成，金属贴片宽度为w，长度为l，其材料为高电导率金属,所述电磁硬表面应用时沿金属贴片层宽边方向环绕加载于金属圆柱体侧表面，金属圆柱体的高度为h，半径为r；g/w＜0.2，(w+g)/λ0＜0.25，λ0＝c/f0，l＝2π(r+d)，h＝n×(w+g)±g，n≥4，n为正整数，λ0为自由空间中入射波的工作波长，c为自由空间中光速，f0为自由空间中入射波的工作频率。

【技术特征摘要】
1.一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构，由金属贴片层，磁性介质层构成；磁性介质层完全覆盖金属贴片层底部，厚度为d，宽度为l，长度为h；金属贴片层由相距宽度为g的矩形金属贴片沿磁性介质层长边方向依次排列组成，金属贴片宽度为w，长度为l，其材料为高电导率金属,所述电磁硬表面应用时沿金属贴片层宽边方向环绕加载于金属圆柱体侧表面，金属圆柱体的高度为h，半径为r；g/w＜0.2，(w+g)/λ0＜0.25，λ0＝c/f0，l＝2π(r+d)，h＝n×(w+g)±g，n≥4，n为正整数，λ0为自由空间中入射波的工作波长，c为自由空间中光速，f0为自由空间中入射波的工作频率。2.如权利要求1所述应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构，其特征在于：所述磁性介质层所用磁性材料的磁导率大于1。3.如权利要求1所述应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构的构建方法：步骤一：在Ansoft-HFSS中建立一个平面型电磁硬表面单元模型，该模型由三部分构成，自上而下依次是金属贴片层，磁性介质层，地层；金属贴片层与地层均设为理想电导体，在建立的电磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海燕，黄星星，韩满贵，谢建良，邓龙江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51