一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法技术

一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，包含：S1、建立复合材料的均匀化计算模型；S2、对复合材料在舱室结构下的屏蔽效能与相变系数进行测试；S3、复合材料在舱室结构下的电磁参数提取；具体包括：S31、通过拟合得到复合材料等效相对介电常数的初始值以及等效电导率初始值；S32、通过仿真计算得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能；S33、当全部频点的屏蔽效能均满足精度要求时，确定相对介电常数初始值和电导率初始值为舱室结构下的复合材料电磁参数，否则以一定步长修正电磁参数重新进行仿真计算直至满足精度要求。本发明专利技术模拟复合材料舱室环境，电磁参数提取精度高，为航空航天器复合材料电磁防护设计的仿真电参数输入提供有效基础。

A Method for Extracting Electromagnetic Parameters of Composite Materials in Cabin Structure

A method for extracting electromagnetic parameters of composite materials under cabin structure includes: S1, establishing homogenization calculation model of composite materials; S2, testing shielding effectiveness and phase transformation coefficient of composite materials under cabin structure; S3, extracting electromagnetic parameters of composite materials under cabin structure; S31, obtaining initial values of equivalent relative dielectric constant of composite materials by fitting. S32, the shielding effectiveness of composite materials at each frequency point in cabin structure is obtained by simulation calculation; S33, when the shielding effectiveness of all frequency points meets the accuracy requirement, the initial values of relative dielectric constant and conductivity are determined as the electromagnetic parameters of composite materials in cabin structure, otherwise, the electromagnetic parameters of composite materials are revised with a certain step size to re-simulate. Calculate until the accuracy requirement is satisfied. The invention simulates the cabin environment of composite materials, and has high accuracy in extracting electromagnetic parameters, which provides an effective basis for the input of simulation electrical parameters in the electromagnetic protection design of composite materials for aerospace vehicles.

【技术实现步骤摘要】
一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法
本专利技术涉及一种电磁参数提取方法，具体是指一种在舱室结构下的对复合材料进行电磁参数提取的方法，属于电磁防护以及电磁环境效应的

技术介绍
目前，先进的复合材料以高强度、耐腐蚀、轻体重等诸多独特的优点逐渐替代金属材料，被广泛的应用于航空航天等工业领域。复合材料与金属材料相比，具有复杂的微观几何构型，在介电常数、电导率上具有较大差异，这将造成航空航天器电磁能量耦合路径与屏蔽效能的不同。由于碳纤维复合材料的导电性能远低于金属材料，会使得航空航天器对电磁环境的屏蔽效能远远降低。通过开展复合材料电磁参数的提取方法研究，可作为航空航天器复合材料的电磁参数输入，为航空航天器电磁防护设计奠定重要基础。现有技术中，对于复合材料电磁参数提取方法的研究，有以下所列的计算模型、仿真与试验方法。中国专利技术专利申请CN101655525A提供了一种基于支持向量机(SVM，SupportVectorMachine)的人工电磁材料电磁参数提取方法，该方法能够测试左手材料及具有周期性结构的人工电磁材料，且测试结果精度高，测试样品制作简单。此专利技术是利用计算电磁学的数值计算方法FEM和FDTD计算被测材料的传输与反射系数，将相应计算结果作为训练序列对支持向量机进行训练。当支持向量机经过充分训练以后，可以通过输入传输与反射系数的测量值，计算得到被测材料的等效介电常数和等效磁导率。中国专利技术专利申请CN104931818A提出一种非对称人工电磁材料电磁参数的提取方法，用以解决由于结构的不对称性导致无法提取材料电磁参数的问题，首先单独仿真第一层材料的散射参数S′；利用S′与对称结构算法计算第一层材料的电磁参数；仿真非对称人工电磁材料的外部散射参数S；基于S与第一层的电磁参数获得第二层的电磁参数；利用S与第二层电磁参数重新修正第一层的电磁参数；循环上述步骤，直至修正后的两层中的电磁参数在整个频段内不再明显变化，将此作为最终电磁参数。复合材料提取方法有很多传统测试方法，如谐振腔法和网络参数法。中国专利技术专利申请CN106053956A提供了一种材料介电常数测试系统及基于该测试系统的测试方法，包括同轴谐振腔和控制系统。同轴谐振腔包括腔体和伸出腔体的探针；控制系统用于提供同轴谐振腔的微波输入信号，探针在腔体外形成电磁场，待测样品通过对该电磁场的干扰从而改变所述同轴谐振腔的微波输出信号；控制系统通过对放置待测样品前后的微波输出信号进行分析计算得到待测样品的介电常数。该材料介电常数测试系统数据处理简单，测试效率高；并且通过伸出腔体的探针对待测样品进行扫描式检测，测试速度快。在2013年第55期第1178-1186页《IEEETransactionsonEMC》期刊中公开的文献《EffectivePermittivityofShieldingEffectivenessMaterialsforMicrowaveFrequencies》，其中Preault等提出了基于掺杂物问题的等效电磁参数均匀化方法研究，引入描述纤维结构的特征长度，计算了纤维在截面上呈正方形排列时复合材料等效电磁参数。但是，这些已有的技术方案与本专利技术提出的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法存在明显的差异，建立的计算模型、测试方法与拟合方法等均不相同。基于上述，本专利技术提出一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，模拟了复合材料舱室环境，解决了现有技术中存在的缺点和限制，为航空航天器复合材料电磁防护设计仿真电参数输入提供一种新型有效的方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，模拟复合材料舱室环境，电磁参数提取精度高，为航空航天器复合材料电磁防护设计的仿真电参数输入提供有效基础。为实现上述目的，本专利技术提供一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，包含以下步骤：S1、建立复合材料的均匀化计算模型；S2、对复合材料在舱室结构下的屏蔽效能与相变系数进行测试；S3、复合材料在舱室结构下的电磁参数提取；包括：S31、通过拟合得到复合材料等效相对介电常数的初始值以及等效电导率初始值；S32、通过仿真计算得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能；S33、当全部频点的屏蔽效能均满足精度要求时，确定相对介电常数初始值和电导率初始值为舱室结构下的复合材料的电磁参数，否则以一定步长修正电磁参数重新进行仿真计算直至满足精度要求。所述的S1中，通过将复合材料等效为均匀材料，建立复合材料的屏蔽效能SEcal的计算模型，以及建立相变系数βcal与复合材料等效相对介电常数εer、等效电导率σe之间的计算模型。所述的S2中，构建复合材料舱室结构为正方体单元，其中相对两个侧面设置为金属材料，其余四个侧面设置为电磁参数未知的复合材料，模拟复合材料舱室环境。所述的S2中，在复合材料舱室结构的中心位置设置接收天线，在复合材料舱室结构的外部设置发射天线并照射该舱室结构；在发射天线激励照射下，通过对比有无复合材料舱室结构时的由接收天线测量到的电场场强和相位，得到复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能和测试相变系数。具体的，复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能SEtest和测试相变系数βtest的计算公式为：其中，Et为存在复合材料舱室结构时，舱室结构中心位置的接收天线检测到的电场场强，Ecali为不存在复合材料舱室结构时，接收天线检测到的电场场强，作为电场校准值，为两次电场场强测量时的相位差，l为复合材料的厚度。所述的S31中，具体为：采用S2中得到的复合材料舱室结构的测试屏蔽效能SEtest和测试相变系数βtest，与S1中得到的复合材料屏蔽效能SEcal和相变系数βcal的计算模型进行拟合，获取复合材料等效相对介电常数的初始值εer0及其拟合上下限范围，以及复合材料等效电导率的初始值σe0及其拟合上下限范围。其中，拟合条件为：所述的S32中，具体为：建立与S2中相同的复合材料舱室结构的仿真模型；采用复合材料等效相对介电常数初始值εer0和等效电导率初始值σe0定义复合材料的属性；采用与S2中相同的发射天线进行激励照射，设置发射天线的激励幅度与频点，并设置复合材料舱室结构的中心位置求解电场；获得设置频点时的复合材料舱室结构的中心位置的场强值，以及在无复合材料舱室结构时的中心位置的校准场强值，通过对比得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能。所述的S33中，具体为：将S32中通过仿真计算得到的复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能与S2中通过测试计算得到的复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能进行对比评估，若存在频点不满足精度要求的情况，修正相对介电常数初始值或电导率初始值，并重新进行仿真计算，直至满足精度要求；最后确定满足精度要求的相对介电常数值和电导率值为舱室结构下的复合材料的电磁参数。综上所述，本专利技术提供的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，模拟复合材料舱室环境，有效解决复合材料非均匀特点带来的电磁参数提取难的问题，且电磁参数提取精度高，为航空航天器复合材料电磁防护设计的仿真电参数输入提供有效基础。附图说明图1为本专利技术中的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法的流程图；图2为本专利技术中的复合材料的舱室结构及其几何参数的结构示意图；图3为本专利技术中的复合材料在舱室结构下通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，其特征在于，包含步骤：S1、建立复合材料的均匀化计算模型；S2、对复合材料在舱室结构下的屏蔽效能与相变系数进行测试；S3、复合材料在舱室结构下的电磁参数提取；包括：S31、通过拟合得到复合材料等效相对介电常数的初始值以及等效电导率初始值；S32、通过仿真计算得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能；S33、当全部频点的屏蔽效能均满足精度要求时，确定相对介电常数初始值和电导率初始值为舱室结构下的复合材料的电磁参数，否则以一定步长修正电磁参数重新进行仿真计算直至满足精度要求。

【技术特征摘要】
1.一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，其特征在于，包含步骤：S1、建立复合材料的均匀化计算模型；S2、对复合材料在舱室结构下的屏蔽效能与相变系数进行测试；S3、复合材料在舱室结构下的电磁参数提取；包括：S31、通过拟合得到复合材料等效相对介电常数的初始值以及等效电导率初始值；S32、通过仿真计算得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能；S33、当全部频点的屏蔽效能均满足精度要求时，确定相对介电常数初始值和电导率初始值为舱室结构下的复合材料的电磁参数，否则以一定步长修正电磁参数重新进行仿真计算直至满足精度要求。2.如权利要求1所述的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，其特征在于，所述的S1中，通过将复合材料等效为均匀材料，建立复合材料的屏蔽效能SEcal的计算模型，以及建立相变系数βcal与复合材料等效相对介电常数εer、等效电导率σe之间的计算模型。3.如权利要求2所述的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，其特征在于，所述的S2中，构建复合材料舱室结构为正方体单元，其中相对两个侧面设置为金属材料，其余四个侧面设置为电磁参数未知的复合材料，模拟复合材料舱室环境。4.如权利要求3所述的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，其特征在于，所述的S2中，在复合材料舱室结构的中心位置设置接收天线，在复合材料舱室结构的外部设置发射天线并照射舱室结构；在发射天线激励照射下，通过对比有无复合材料舱室结构时的由接收天线测量到的电场场强和相位，得到复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能和测试相变系数。5.如权利要求4所述的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，其特征在于，复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能SEtest和测试相变系数βtest的计算公式为：其中，Et为存在复合材料舱室结构时，舱室结构中心位置的接收天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亚南，廖意，应小俊，石国昌，张元，韩如冰，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31