一种蜂窝频率选择表面的传输特性求解方法技术

本发明专利技术提出了一种蜂窝频率选择表面的传输特性求解方法，实现步骤包括：构建蜂窝频率选择表面的单元几何模型；对单元几何模型进行网格剖分；计算极化平面波在

【技术实现步骤摘要】
一种蜂窝频率选择表面的传输特性求解方法


[0001]本专利技术属于电磁仿真
，涉及一种蜂窝频率选择表面的传输特性求解方法，可应用于设计蜂窝频率选择表面结构
。

技术介绍

[0002]频率选择表面是由材料和形状相同的单元按照特定规律排列组成的周期阵列，在设计频率选择表面结构时，需要对其包括透射系数和反射系数的传输特性进行求解
。
求解方法主要有矩量法
、
时域有限差分法和有限元法等
。
有限元法较矩量法和时域有限差分法相比，在复杂结构的计算上更有优势，通过使用四面体的网格对曲线等结构进行剖分，可以得到精度更高的求解结果，并且运用有限元法计算周期阵列时一般只用分析一个单元，可以更好的节省内存，降低计算时间和资源
。
[0003]使用有限元方法求解频率选择表面结构的传输特性，需要根据求解对象建立其单元几何模型；对单元几何模型进行网格剖分，得到多个四面体；结合极化平面波的波数和方向矢量计算激励端口在不同模式下的入射场；构建有限元矩阵方程式，并根据周期的关系对矩阵方程式中矩阵的元素进行替换；对替换后的矩阵进行求解得到总电场；通过总电场和入射场求解包括透射系数和反射系数的传输特性
。
[0004]求解单元几何模型为六棱柱的蜂窝频率选择表面的传输特性时，由于其激励端口形状均为正六边形，而正六边形中没有相互正交的两条边，因此在使用有限元法进行求解时无法直接在以正六边形的两条矢量边作为坐标轴的坐标系中计算激励端口的入射场，也就无法得到蜂窝频率选择表面传输特性
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种蜂窝频率选择表面结构的传输特性求解方法，用于解决现有技术存在的无法使用有限元法求解蜂窝频率选择表面传输特性的技术问题
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：
[0007](1)
构建蜂窝频率选择表面的单元几何模型：
[0008]构建组成蜂窝频率选择表面的单元结构包括侧面平行于三维坐标系
OXYZ
的
z
轴的正六棱柱的空气盒子
、
位于空气盒子中的金属层和
R
个介质层的单元几何模型，并将空气盒子中任意三个相邻侧面作为主侧面，另外三个相邻侧面作为从侧面，将上
、
下两个面积为
SUR
的正六边形面作为激励端口；其中，第
r
个介质层的相对介电常数
、
相对磁导率分别为
ε
r
、
μ
r
；
[0009](2)
对单元几何模型进行网格剖分：
[0010]对单元几何模型进行网格剖分，得到包含
V
个棱和三角形面的
L
个四面体，每个棱和三角形面上各存在2个自由度，每个四面体中存在
H
个自由度，
L
个四面体共存在
2V
个自由度，将位于单元几何模型主侧面上的
P
个自由度
{
λ1,
λ2,...,
λ
p
,...,
λ
P
}
作为主自由度，位于
从侧面上的
Q
个自由度
{
σ1,
σ2,...,
σ
q
,...,
σ
Q
}
作为从自由度；
[0011](3)
计算极化平面波在
OXYZ
中的方向矢量：
[0012]通过无限远处极化平面波与三维坐标系
OXYZ
中
z
轴
、x
轴的夹角
θ
、
计算极化平面波在
OXYZ
中的方向矢量
[0013](4)
计算不同模式下激励端口处的入射场：
[0014]通过激励端口的两条矢量边
a1和
a2将三维坐标系
OXYZ
变换为三维局部坐标系
O
′
X
′
Y
′
Z
′
，并通过极化平面波在
OXYZ
中的方向矢量计算频率为
f
时极化平面波在
O
′
X
′
Y
′
Z
′
h
的
x
′
、y
′
和
z
′
方向上的波数
k
x
′
mn
、k
y
′
mn
和
k
z
′
mn
，再根据
k
x
′
mn
、k
y
′
mn
和
k
z
′
mn
计算在
TE
nm
、TM
nm
、TEM
nm
模式下激励端口处的入射场其中
n、m
分别为极化平面波沿
O
′
X
′
Y
′
Z
′
上
x
′
、y
′
方向变化的半周期数；
[0015](5)
构建有限元矩阵方程式：
[0016]构建维度为
I
×
J
的有限元系统矩阵
D
和维度为
I
×1激励矩阵
b
，并通过
D
和
b
构建关于电场系数
u
的矩阵方程式
Du
＝
b
，其中，
D
ij
为与第
i
个自由度和第
j
个自由度相关的有限元系统项，
b
i
为与第
i
个自由度相关的激励项，
I
＝
J
＝
2V
；
[0017](6)
对矩阵方程式进行矩阵元素替换：
[0018]对矩阵方程式中的矩阵
D
和矩阵
b
中的元素进行替换，得到替换后的矩阵方程式
D
′
u
＝
b
′
，其中
D
′
、b
′
分别为
D、b
的替换结果；
[0019](7)
获取蜂窝频率选择表面的传输特性：
[0020]使用稀疏矩阵求解器对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种蜂窝频率选择表面的传输特性求解方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)
构建蜂窝频率选择表面的单元几何模型：构建组成蜂窝频率选择表面的单元结构包括侧面平行于三维坐标系
OXYZ
的
z
轴的正六棱柱的空气盒子
、
位于空气盒子中的金属层和
R
个介质层的单元几何模型，并将空气盒子中任意三个相邻侧面作为主侧面，另外三个相邻侧面作为从侧面，将上
、
下两个面积为
SUR
的正六边形面作为激励端口；其中，第
r
个介质层的相对介电常数
、
相对磁导率分别为
ε
r
、
μ
r
；
(2)
对单元几何模型进行网格剖分：对单元几何模型进行网格剖分，得到包含
V
个棱和三角形面的
L
个四面体，每个棱和三角形面上各存在2个自由度，每个四面体中存在
H
个自由度，
L
个四面体共存在
2V
个自由度，将位于单元几何模型主侧面上的
P
个自由度
{
λ1,
λ2,...,
λ
p
,...,
λ
P
}
作为主自由度，位于从侧面上的
Q
个自由度
{
σ1,
σ2,...,
σ
q
,...,
σ
Q
}
作为从自由度；
(3)
计算极化平面波在
OXYZ
中的方向矢量：通过无限远处极化平面波与三维坐标系
OXYZ
中
z
轴
、x
轴的夹角
θ
、
计算极化平面波在
OXYZ
中的方向矢量
(4)
计算不同模式下激励端口处的入射场：通过激励端口的两条矢量边
a1和
a2将三维坐标系
OXYZ
变换为三维局部坐标系
O
′
X
′
Y
′
Z
′
，并通过极化平面波在
OXYZ
中的方向矢量计算频率为
f
时极化平面波在
O
′
X
′
Y
′
Z
′
的
x
′
、y
′
和
z
′
方向上的波数
k
x
′
mn
、k
y
′
mn
和
k
z
′
mn
，再根据
k
x
′
mn
、k
y
′
mn
和
k
z
′
mn
计算在
TE
nm
、TM
nm
、TEM
nm
模式下激励端口处的入射场其中
n、m
分别为极化平面波沿
O
′
X
′
Y
′
Z
′
上
x
′
、y
′
方向变化的半周期数；
(5)
构建有限元矩阵方程式：构建维度为
I
×
J
的有限元系统矩阵
D
和维度为
I
×1激励矩阵
b
，并通过
D
和
b
构建关于电场系数
u
的矩阵方程式
Du
＝
b
，其中，
D
ij
为与第
i
个自由度和第
j
个自由度相关的有限元系统项，
b
i
为与第
i
个自由度相关的激励项，
I
＝
J
＝
2V
；
(6)
对矩阵方程式进行矩阵元素替换：对矩阵方程式中的矩阵
D
和矩阵
b
中的元素进行替换，得到替换后的矩阵方程式
D
′
u
＝
b
′
，其中
D
′
、b
′
分别为
D、b
的替换结果；
(7)
获取蜂窝频率选择表面的传输特性：使用稀疏矩阵求解器对变换后的矩阵方程式
D
′
u
＝
b
′
进行求解，得到电场系数
u
，并通过
u
所计算的每个四面体的电场
E
l
计算蜂窝频率选择表面的电场
E
，然后使用后处理器，并通过
E
和步骤
(4)
所得到的激励端口处的入射场计算蜂窝频率选择表面传输特性的反射系数
S
11
和透射系数
S
21
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：左胜，曹琼，林中朝，张玉，赵勋旺，
申请(专利权)人：西安中电科西电科大雷达技术协同创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：