一种超宽带宽斜入射角吸波器设计与优化方法技术

本发明专利技术公开了一种超宽带宽斜入射角吸波器设计与优化方法，使用多层周期性结构显著拓展了吸波器的工作带宽，该吸波器能够在预设范围的工作带宽内，同时满足正入射、TE极化预设角度和TM极化预设角度的条件，即实现超宽带和斜入射角，优化方法包括：对周期性的有耗方环进行建模，利用等效电路理论建立吸波器的数学模型，该模型能够计算吸波器在斜入射条件下的反射系数，基于遗传算法对吸波器的工作带宽进行全局最优搜索，从而得到未知参数的初始最优值，通过全波仿真对参数初始值进行优化，确定吸波器的最终参数，完成吸波器的设计。这能够明显地提高吸波器的设计效率，使得吸波器在超宽带和宽入射角方面的性能均能满足实际需求。宽带和宽入射角方面的性能均能满足实际需求。宽带和宽入射角方面的性能均能满足实际需求。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带宽斜入射角吸波器设计与优化方法


[0001]本专利技术属于微波领域，特别是涉及一种超宽带宽斜入射角吸波器设计与优化方法。

技术介绍

[0002]吸波器是一种能够吸收特定频段电磁波的器件。它能够根据需求吸收特定频段的电磁波以及用于降低雷达散射截面积RCS，在国防领域有重要应用。近几十年来，许多种类的吸波器相继出现，如：Dallenbach层、Salisbury屏和频率选择表面FSS等。传统的吸波器带宽窄，无法满足应用需求。于是，研究者们在拓宽带宽方面进行了很多有意义的尝试，并获得了良好的结果。其中，使用多层结构增加带宽是一种有效的方法。有研究者设计了一种多层吸波器结构，实现了正入射条件下12.88:1倍频的带宽并且总轮廓仅为0.101λL。虽然上述吸波器在带宽方面有良好的表现，但是只考虑了正入射的条件，无法满足宽斜入射角的需求。综上，吸波器在超宽带和宽斜入射角方面的性能仍有很大的提升空间。
[0003]为了更好地理解吸波器的吸波原理，设计性能更优的吸波器，研究者们提出了很多有意义的研究方法，如等效媒质理论和干涉理论等。但是等效媒质理论是将吸波器等效为一个均匀的介质，通过提取S参数进行反演以实现阻抗匹配。这种方法能够获得精确的等效阻抗，但是其需要通过实验或者数值仿真提取S参数，不利于结构参数的优化设计。干涉理论使用几何光学的分析方法，计算电磁波在不同介质间的反射与折射，从而得到吸波器的反射系数。其能够很好地分析不同斜入射角下，吸波器的吸收情况。但是，该理论在分析多层结构时，计算复杂。
[0004]针对现有的吸波器在超宽带和宽入射角方面的性能不能满足实际需求的问题，亟需提出一种超宽带宽斜入射角吸波器设计与优化方法。

技术实现思路

[0005]针对以上技术问题，本专利技术提供一种超宽带宽斜入射角吸波器设计与优化方法。
[0006]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：
[0007]一种超宽带宽斜入射角吸波器设计与优化方法，方法包括以下步骤：
[0008]S100：设计吸波器单元的结构，吸波器单元包括接地板、至少两层不同的有耗方环和至少三层不同的电介质层，接地板连接最下方的电介质层，一层有耗方环设置于两层不同的电介质层之间；
[0009]S200：根据吸波器单元的结构基于等效电路理论建立吸波器的数学模型，根据吸波器的数学模型得到吸波器等效电路在两种极化下的反射系数的表达式；
[0010]S300：根据吸波器等效电路在两种极化下的反射系数的表达式，基于遗传算法以吸波器的工作带宽为目标函数进行全局最优搜索，得到未知参数的初始最优值；其中，未知参数包括有耗方环的方阻、有耗方环的外宽度、有耗方环的环宽度、有耗方环的周期、电介质层的厚度和电介质层的相对介电常数；其中，吸波器的工作带宽定义为反射系数小于预
设值；
[0011]S400：依据预设的未知参数与反射系数之间的影响关系，基于全波仿真对未知参数的初始最优值进行优化，确定吸波器的最终参数，基于吸波器单元的结构和吸波器的最终参数完成吸波器的设计与优化。
[0012]优选地，S200中根据吸波器单元的结构基于等效电路理论建立吸波器的数学模型，具体为：
[0013][0014]其中，
[0015][0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022]其中，R为等效集总电阻，Rs为有耗方环的方阻Rs，p为吸波器周期，d为有耗方环的外宽度，s为有耗方环的环宽度，h为电介质层的厚度，g为吸波器周期与有耗方环外宽度的差值，Z0为自由空间等效阻抗，θ为斜入射角，ω是角频率，X
L
为感抗，B
C
为容纳，F(p,2s,λ,θ)为计算有耗方环几何参数(p,s,g)与等效感抗X
L
和容纳B
C
之间关系的函数，w代表参数2s或g，λ为吸波器工作波长，G(p,w,λ,θ)为函数F(p,w,λ,θ)的修正项，A
±
为与吸波器周期p、斜入射角θ和工作波长λ有关的第一类修正因子，β为与吸波器周期p和参数w有关的第二类修正因子，ε
eff
为有耗方环与介质基底所构成整体的等效介电常数，m为是长度单位。
[0023]优选地，其特征在于，S200中根据吸波器的数学模型得到吸波器等效电路在两种极化下的反射系数的表达式，具体为：
[0024]根据菲涅尔定律，介质内的折射角与斜入射角的关系为：
[0025][0026]在不同介质中的传播常数为：
[0027][0028]在斜入射条件下，TE极化和TM极化的电介质等效阻抗具体为：
[0029]对于TE极化：
[0030][0031]对于TM极化：
[0032][0033]其中，i＝1,2...n(n≧3)
[0034]等效电路图的输入阻抗对应如下：
[0035]Z
in1
＝jZ
1 tan(β1h1)
[0036][0037][0038][0039]综上，可以得到吸波器等效电路在两种极化下的反射系数：
[0040]对于TE极化：
[0041][0042]对于TM极化：
[0043][0044]其中，θ
i
为第i个电介质的折射角，ε
ri
为第i个电介质的相对介电常数，β
i
为第i个电介质的传播常数，Z
i
为第i个电介质的等效阻抗，Z
in(2k)
为等效电路中标注的偶数个输入阻抗，Z
in(2k
‑
1)
为等效电路中标注的奇数个输入阻抗，为第个频率选择表面的等效阻抗，Γ为吸波器等效电路的反射系数。
[0045]优选地，预设的未知参数与反射系数之间的影响关系包括：有耗方环的方阻与反射系数之间的影响关系、有耗方环的外宽度与反射系数之间的影响关系、有耗方环的环宽度与反射系数之间的影响关系以及与接地板相连的电介质层的厚度与反射系数之间的影响关系。
[0046]优选地，S400中依据预设的未知参数与反射系数之间的影响关系，基于全波仿真对未知参数的初始最优值进行优化，包括：
[0047]依据有耗方环的方阻与反射系数之间的影响关系，基于全波仿真对有耗方环的方阻按照预设第一调节幅度，减小有耗方环的方阻；
[0048]依据有耗方环的外宽度与反射系数之间的影响关系，基于全波仿真对有耗方环的
外宽度按照预设第二调节幅度，减小有耗方环的外宽度；
[0049]依据有耗方环的环宽度与反射系数之间的影响关系，基于全波仿真对有耗方环的环宽度按照预设第三调节幅度，增大有耗方环的环宽度；
[0050]依据与接地板相连的电介质层的厚度与反射系数之间的影响关系，基于全波仿真对与接地板相连的电介质层的厚度按照预设第四调节幅度，调整与接地板相连的电介质层的厚度。
[0051]优选地，S100中吸波器单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超宽带宽斜入射角吸波器设计与优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S100：设计吸波器单元的结构，所述吸波器单元包括接地板、至少两层不同的有耗方环和至少三层不同的电介质层，所述接地板连接最下方的电介质层，一层有耗方环设置于两层不同的电介质层之间；S200：根据所述吸波器单元的结构基于等效电路理论建立吸波器的数学模型，根据所述吸波器的数学模型得到吸波器等效电路在两种极化下的反射系数的表达式；S300：根据所述吸波器等效电路在两种极化下的反射系数的表达式，基于遗传算法以吸波器的工作带宽为目标函数进行全局最优搜索，得到未知参数的初始最优值；其中，所述未知参数包括有耗方环的方阻、有耗方环的外宽度、有耗方环的环宽度、有耗方环的周期、电介质层的厚度和电介质层的相对介电常数；其中，所述吸波器的工作带宽定义为反射系数小于预设值；S400：依据预设的未知参数与反射系数之间的影响关系，基于全波仿真对所述未知参数的初始最优值进行优化，确定吸波器的最终参数，基于所述吸波器单元的结构和所述吸波器的最终参数完成吸波器的设计与优化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S200中根据所述吸波器单元的结构基于等效电路理论建立吸波器的数学模型，具体为：其中，其中，其中，其中，其中，其中，其中，其中，
其中，R为等效集总电阻，Rs为有耗方环的方阻Rs，p为吸波器周期，d为有耗方环的外宽度，s为有耗方环的环宽度，h为电介质层的厚度，g为吸波器周期与有耗方环外宽度的差值，Z0为自由空间等效阻抗，θ为斜入射角，ω是角频率，X
L
为感抗，B
C
为容纳，F(p,2s,λ,θ)为计算有耗方环几何参数(p,s,g)与等效感抗X
L
和容纳B
C
之间关系的函数，w代表参数2s或g，λ为吸波器工作波长，G(p,w,λ,θ)为函数F(p,w,λ,θ)的修正项，A
±
为与吸波器周期p、斜入射角θ和工作波长λ有关的第一类修正因子，β为与吸波器周期p和参数w有关的第二类修正因子，ε
eff
为有耗方环与介质基底所构成整体的等效介电常数，m为是长度单位。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，S200中根据所述吸波器的数学模型得到吸波器等效电路在两种极化下的反射系数的表达式，具体为：根据菲涅尔定律，介质内的折射角与斜入射角的关系为：在不同介质中的传播常数为：在斜入射条件下，TE极化和TM极化的电介质等效阻抗具体为：对于TE极化：对于...

【专利技术属性】
技术研发人员：董正宏，胡吉建，陈雪旗，夏鲁瑞，杨帆，卢妍，李森，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：