基于等效电磁参数分析的PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构设计方法技术

一种基于等效电磁参数分析的PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构设计方法，首先，根据传输线理论和微波理论构建基于对称结构的吸波结构等效电磁参数分析模型；然后，利用传输/反射法建立散射系数中的反射系数透射系数与等效电磁参数之间的函数关系，得到材料的等效电磁参数；最后，将等效电磁参数带入均匀介质平板反射损耗RL的计算公式，快速求解一系列PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构的反射损耗，以吸波效果更好、有效吸波带宽更宽为目标优化设计出PEEK树脂基梯度蜂窝微波吸波结构。本发明专利技术基于反演出的等效电磁参数分析材料的微波吸波性能，能够避免实验损耗，准确度高，得到一种在2

Design method of PEEK resin based gradient honeycomb absorbing structure based on equivalent electromagnetic parameter analysis

【技术实现步骤摘要】
基于等效电磁参数分析的PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构设计方法


[0001]本专利技术属于微波吸波材料
，涉及一种基于等效电磁参数分析的PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构设计方法。

技术介绍

[0002]飞行器服役环境恶劣，新一代战斗机鸭翼边缘结构的吸波结构需要同时满足具有良好微波吸波性能与承载能力。随着空中武器装备对于材料轻量化、高强度化要求的不断提升，聚醚醚酮(PEEK)特种工程塑料因其具有优异的力学性能、耐溶剂性和耐辐照特性逐渐替代了鸭翼边缘结构传统采用的金属材料。在PEEK基体中添加微波吸收剂并设计特定的梯度蜂窝吸波结构，可实现复合材料电磁吸收性能的灵活调控。其中，梯度蜂窝吸波结构在传统蜂窝结构密度小、重量轻、导热系数低强度与刚度较高的基础上，具有更好的阻抗匹配效果，能有效促进电磁波的多次反射和吸收实现材料的轻量化与优良的电磁屏蔽性能，通过3D打印即可以高效可控搭建成型。因此，PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构被认为是协调吸波结构电磁吸波性能与承载能力的有效途径。
[0003]虑及PEEK树脂基梯度蜂窝复合吸波材料与结构的协同作用，在避免实验损耗的情况下，采用仿真预测微波吸波结构的反射损耗，等效电磁参数反演是吸波结构电磁性能分析、理解与认知的最直接有效的手段，也是新型微单元阵列结构设计、性能定制与工程化有效依据。
[0004]2016年，赵雨辰等在专利技术专利CN201610130516.7中公开了一种蜂窝吸波结构等效电磁参数计算方法。将基于强扰动理论推导得到的表达式作为整体框架，将传统的仅包含静态部分的计算理论表达式扩展为静态的初值和色散特性函数两部分的结合，使计算出的等效电磁参数具有依频率变化的色散特性。2020年，陈海燕等人在专利技术专利CN202010031384.9中公开了一种梯度蜂窝吸波结构的等效电磁参数提取方法，考虑入射端与出射端涂层厚度、梯度层数、相邻梯度图层增量等参数，提取出梯度蜂窝吸波结构的等效电磁参数。
[0005]上述专利说明等效电磁参数是分析电磁波吸收材料的有效方法，但不能适用于梯度结构或只能适用于特定梯度结构，不具有普遍性。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对金属底板反射式梯度蜂窝吸波结构等效电磁参数难以快速准确计算问题，提出一种通用有效的梯度结构等效电磁参数反演方法，并基于该方法设计一种在2
‑
18GHz波段上吸波效果好、有效吸波带宽宽的PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于等效电磁参数分析的PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构设计方法，首先，根
据传输线理论和微波理论，构建基于对称结构的吸波结构等效电磁参数分析模型；然后，利用传输/反射法，建立了散射系数中的反射系数透射系数与等效电磁参数之间的函数关系，计算得到材料的等效电磁参数；最后，将计算得到的等效电磁参数带入均匀介质平板反射损耗RL的计算公式，快速求解一系列PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构的反射损耗，以吸波效果更好、有效吸波带宽更宽为目标优化设计出一种PEEK树脂基梯度蜂窝微波吸波结构。方法的具体步骤如下：
[0009]第一步，构建基于对称结构的吸波结构等效电磁参数分析模型
[0010]传统吸波结构等效电磁参数分析模型包括空气域、吸波结构、底部金属板三个部分，其中金属板代表飞机蒙皮。空气域为位于吸波结构上方，其50％厚度的局部区域，空气域顶部边界设置为散射边界，空气域底部设置为唯一的激励源端口，空气域中间为完美匹配层，忽略内部散射效应。电磁波从空气域底部入射至吸波结构时，一部分在吸波结构表面反射，一部分电磁波进入结构在底部金属板处反射并全部被激励源端口收集，然而得到的散射系数只包含单一的反射系数表面反射波与底面反射波信息产生杂扰，无法准确反演出吸波结构的等效电磁参数。
[0011]根据反射损耗计算模型，本专利技术提出基于对称结构的等效电磁参数分析模型，该等效电磁参数分析模型中，取消底部金属板，以吸波结构底面为参考，将空气域与吸波结构进行空间镜像对称，对称后吸波结构上侧空气域的底部设置为激励/收集端口，下侧空气域的顶部设置为收集端口，其余空气域边界设置为散射边界。入射电磁波一部分在吸波结构表面反射，被上侧空气域的底部端口收集，一部分进入对称后的吸波结构在底部出射，被下侧空气域的顶部端口收集，得到的散射系数包含反射系数与透射系数该等效电磁参数分析模型将原来单一的反射系数分离为同样光程的反射系数与透射系数考虑到反射波相位变化则有，
[0012][0013]其中，为表面反射波贡献部分散射系数，为底面反射波贡献部分散射系数。
[0014]依据传输线理论与微波理论，散射系数中的反射系数与透射系数与材料反射常数Γ、传输常数Τ有如下关系，
[0015][0016]其中，Γ表示电磁波由空气垂直入射至无限厚媒质表面时的反射常数，Τ表示电磁波在对称后吸波结构中的传输常数，有，
[0017][0018]其中，Z
S
为材料的等效阻抗，k0为电磁波在真空中的波矢，n为材料的折射率，l为吸
波结构厚度，其中有，
[0019][0020]其中，μ
r
为材料的等效磁导率，ε
r
为等效介电常数即所求的等效电磁参数。
[0021]通过基于对称结构的吸波结构等效电磁参数分析模型，将反射损耗计算模型中反射系数所包含的表面反射波贡献部分与底面反射波贡献部分分离为同样光程的反射系数与透射系数证明了反射系数与透射系数与其等效电磁参数存在关联关系，为等效电磁参数的求解奠定理论基础。
[0022]第二步，反演计算等效介电常数、等效磁导率
[0023]现有梯度蜂窝吸波结构的顶面由边长a1的正六边形蜂窝铺满，底面由边长a2的正六边形蜂窝铺满，其中边长a1＝2a2，顶面每个六边形蜂窝分别垂向放样至底面正下方六边形蜂窝，底面其余六边形垂直向上拉伸形成梯度蜂窝吸波结构，蜂窝侧壁厚度t为0.4mm，蜂窝厚度l在10
‑
50mm范围内。所述梯度蜂窝吸波结构的材料为PEEK树脂基材中添加碳纳米管、羰基铁、铁氧体或者炭黑作为微波吸收剂所获得的一系列复合材料。
[0024]2.1)建立对称梯度蜂窝吸波结构的电磁仿真模型，获取散射系数中的反射系数与透射系数具体如下：
[0025]①
首先，在电磁仿真软件中，按照梯度蜂窝吸波结构的几何参数，建立周期性微单元阵列的对称后吸波结构单胞构型。
[0026]②
然后，导入一系列复合材料的基本电磁参数，设置为对称后吸波结构单胞构型所在区域的材料。导入空气的相关电磁参数，将对称后吸波结构单胞构型上下部分空气域设置为空气材料。
[0027]③
接着，在软件中设置仿真的物理场，将单胞构型的边界设置为周期性条件，选择上侧空气域的底部、下侧空气域的顶部为周期性端口，设置将电磁波垂直入射，散射边界条件仿真为无反射传输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于等效电磁参数分析的PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构设计方法，其特征在于，首先，根据传输线理论和微波理论，构建基于对称结构的吸波结构等效电磁参数分析模型；然后，利用传输/反射法，建立了散射系数中的反射系数透射系数与等效电磁参数之间的函数关系，计算得到材料的等效电磁参数；最后，将计算得到的等效电磁参数带入均匀介质平板反射损耗RL的计算公式，快速求解一系列PEEK树脂基梯度蜂窝吸波结构的反射损耗，以吸波效果更好、有效吸波带宽更宽为目标优化设计出一种PEEK树脂基梯度蜂窝微波吸波结构；包括以下步骤：第一步，构建基于对称结构的吸波结构等效电磁参数分析模型根据反射损耗计算模型，提出基于对称结构的等效电磁参数分析模型，该等效电磁参数分析模型中，取消传统吸波结构等效电磁参数分析模型中的底部金属板，以吸波结构底面为参考，将空气域与吸波结构进行空间镜像对称，对称后吸波结构上侧空气域的底部设置为激励/收集端口，下侧空气域的顶部设置为收集端口，其余空气域边界设置为散射边界；入射电磁波一部分在吸波结构表面反射，被上侧空气域的底部端口收集，一部分进入对称后的吸波结构在底部出射，被下侧空气域的顶部端口收集，得到的散射系数包含反射系数与透射系数该等效电磁参数分析模型将原来单一的反射系数分离为同样光程的反射系数与透射系数考虑到反射波相位变化则有，其中，为表面反射波贡献部分散射系数，为底面反射波贡献部分散射系数；依据传输线理论与微波理论，散射系数中的反射系数与透射系数与材料反射常数Γ、传输常数Τ有如下关系，其中，Γ表示电磁波由空气垂直入射至无限厚媒质表面时的反射常数，Τ表示电磁波在对称后吸波结构中的传输常数，有，其中，Z
S
为材料的等效阻抗，k0为电磁波在真空中的波矢，n为材料的折射率，l为吸波结构厚度，其中有，其中，μ
r
为材料的等效磁导率，ε
r
为等效介电常数即所求的等效电磁参数；通过基于对称结构的吸波结构等效电磁参数分析模型，将反射损耗计算模型中反射系数所包含的表面反射波贡献部分与底面反射波贡献部分分离为同样光程的反射系
数与透射系数表明反射系数与透射系数与其等效电磁参数存在关联关系；第二步，反演计算等效介电常数、等效磁导率2.1)根据现有梯度蜂窝吸波结构，建立对称梯度蜂窝吸波结构的电磁仿真模型，获取散射系数中的反射系数与透射系数具体如下：
①
首先，在电磁仿真软件中，按照梯度蜂窝吸波结构的几何参数，建立周期性微单元阵列的对称后吸波结构单胞构型；
②
然后，导入一系列复合材料的基本电磁参数，设置为对称后吸波结构单胞构型所在区域的材料；导入空气的相关电磁参数，将对称后吸波结构单胞构型上下部分空气域设置为空气材料；梯度蜂窝吸波结构的材料为PEEK树脂基材中添加微波吸收剂所获得的一系列复合材料；
③
接着，在软件中设置仿真的物理场，将单胞构型的边界设置为周期性条件，选择上侧空气域的底部、下侧空气域的顶部为周期性端口，设置将电磁波垂直入射，散射边界条件仿真为无反射传输的截断模拟域；为了避免电磁波在端口以外的部分反射影响对模型仿真效果，将入射端口以上及出射端口以下部分设置为完美匹配层；
④
最后，选择频域研究，设置频率范围为2
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18GHz，开始仿真获得散射系数中的反射系数与透射系数2.2)利用传输/反射法，为了简化计算步骤，建立计算反射常数Γ和传输常数Τ的...

【专利技术属性】
技术研发人员：廉盟，廖铖，李喆，曹暾，贾婧媛，苏莹，覃开蓉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：