新型透波和吸波結(jié)構(gòu)電磁特性及其應(yīng)用研究.pdf

1、電磁透波和吸波結(jié)構(gòu)在電子設(shè)備眾多、電磁環(huán)境復(fù)雜的通信系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)中擔(dān)負(fù)著保障電磁傳輸、隔離屏蔽干擾信號(hào)并改善系統(tǒng)電磁兼容特性的任務(wù)。透波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是保證平臺(tái)上電子系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)在工作頻帶內(nèi)的有效傳輸，而吸波結(jié)構(gòu)是防止設(shè)備電磁泄漏和實(shí)現(xiàn)大型移動(dòng)平臺(tái)對(duì)外來(lái)雷達(dá)波隱身的重要手段。由于很多透波結(jié)構(gòu)和吸波結(jié)構(gòu)具有相似的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)兩者電磁特性的分析也建立在相同的理論模型之上。作為工程應(yīng)用之一，加載于飛機(jī)平臺(tái)的天線罩和吸波屏，分別起到保護(hù)機(jī)載

2、雷達(dá)天線設(shè)備、減小天線及機(jī)身雷達(dá)散射截面的作用。 本論文以新型透波和吸波結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，首先進(jìn)行的是寬帶等效平板結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了含單軸媒質(zhì)的吸波屏和金屬絲電抗加載天線罩等效平板結(jié)構(gòu)的高效分析和遺傳算法優(yōu)化；在平板結(jié)構(gòu)的分析基礎(chǔ)之上，開發(fā)了復(fù)雜外形天線罩電性能的高效、工程實(shí)用化分析軟件；在吸波結(jié)構(gòu)研究方面，分析設(shè)計(jì)了新型可電控頻率選擇表面(FSS)吸波屏，并進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本論文工作所取得的研究進(jìn)展和主要貢獻(xiàn)有：

3、 1.將適用于多層各向同性有耗吸波材料的遺傳算法模型推廣到含有各向異性介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)，拓展了吸波材料遺傳算法優(yōu)化中可選材料的種類，增加了優(yōu)化的自由度，使得吸波材料更容易實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的吸波性能，并減小材料厚度。 2.以國(guó)外先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)中應(yīng)用的金屬絲電抗加載天線罩壁等效平板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，將夾于多層介質(zhì)中金屬絲柵的等效阻抗公式與用于多層介質(zhì)電磁分析的傳輸矩陣方法相結(jié)合，建立了金屬絲電抗加載多層介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)透波特性的傳輸矩陣分析模型，并根據(jù)

4、導(dǎo)出的解析公式構(gòu)造遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含金屬絲柵的復(fù)雜多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)捷、快速的分析和優(yōu)化。以金屬絲間距、金屬絲半徑以及天線罩壁等效介質(zhì)平板厚度為優(yōu)化參數(shù)，在與金屬絲軸向相垂直的入射面內(nèi)、不同入射角下分別優(yōu)化了金屬絲位于介質(zhì)罩壁中間、介質(zhì)罩壁內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)。對(duì)于罩壁中間加載的結(jié)構(gòu)，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化改善了其帶寬特性；對(duì)于罩壁表面加載結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化將表面金屬絲對(duì)入射波傳輸特性的不利影響降低到了最小。此項(xiàng)研究為相應(yīng)電抗加載結(jié)

5、構(gòu)天線罩的工程研制提供了理論依據(jù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。 3.建立了物理光學(xué)-迭代物理光學(xué)法(PO-IPO)混合算法模型，并結(jié)合CAD實(shí)體建模技術(shù)，開發(fā)了復(fù)雜外形天線罩電性能的通用工程化分析軟件?；旌纤惴劝l(fā)揮了物理光學(xué)法運(yùn)算速度快、相對(duì)于其他高頻方法準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，又利用了迭代物理光學(xué)法能夠模擬天線罩內(nèi)的多次反射效應(yīng)的能力，可以精確計(jì)算天線罩壁內(nèi)側(cè)上的入射近場(chǎng)。該算法發(fā)展了現(xiàn)有天線罩高頻算法中對(duì)多次反射效應(yīng)的處理方法，為運(yùn)行快速、使用

6、可靠的高頻分析軟件精確度的提高提供了一條可行的途徑。 根據(jù)該混合算法模型，分別計(jì)算了加載復(fù)雜外形天線罩的喇叭天線的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)和加載某型變厚度天線罩的波導(dǎo)平板裂縫天線的功率傳輸效率和瞄準(zhǔn)誤差，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合，驗(yàn)證了PO-IPO混合算法的正確性和可靠性，證實(shí)了該算法在工程應(yīng)用中對(duì)不同型號(hào)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的普適性。 結(jié)合CAD幾何建模、表面網(wǎng)格自動(dòng)剖分技術(shù)，并設(shè)計(jì)了和PO—IPO混合算法之間方便可靠的接口程序模塊，開發(fā)了適

7、應(yīng)于任意復(fù)雜外形和結(jié)構(gòu)的天線罩電性能分析軟件。由于IPO對(duì)近場(chǎng)多次反射效應(yīng)的模擬準(zhǔn)確高效，運(yùn)算過(guò)程中又無(wú)需進(jìn)行大規(guī)模矩陣方程的求解，所以開發(fā)的天線罩電性能分析軟件不但滿足計(jì)算精度的要求，而且工程可靠性高，方便于天線罩設(shè)計(jì)者的使用。 4.為了實(shí)現(xiàn)寬帶可電控吸波性能，提出了PIN管加載的雙環(huán)頻率選擇表面(FSS)的可電控吸波屏結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)所選型號(hào)PIN管的偏置電流-電阻參數(shù)特性，設(shè)計(jì)了合理的饋電電路方案。通過(guò)仿真手段，以寬頻帶響應(yīng)

8、及其有效的電調(diào)控制為目標(biāo)，完成了加載PIN管的FSS雙層結(jié)構(gòu)及整個(gè)吸波屏結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)及控制電流參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。吸波屏的介質(zhì)支撐層采用了低密度材料，F(xiàn)SS板材的厚度僅0.5mm，因此所設(shè)計(jì)的吸波結(jié)構(gòu)具有重量輕、厚度薄的優(yōu)點(diǎn)。 5.本文所設(shè)計(jì)的PIN管加載FSS吸波屏的吸波性能具備有效的可電控特性和對(duì)大范圍入射角的適應(yīng)性。在X波段對(duì)所設(shè)計(jì)的可電控吸波屏實(shí)驗(yàn)樣品板進(jìn)行了測(cè)試，得到了在不同饋電電流控制下的吸波頻帶特性曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，

9、當(dāng)入射電場(chǎng)極化方向和PIN管極性所趨方向平行時(shí)，該結(jié)構(gòu)的諧振頻點(diǎn)和頻帶寬度，在整個(gè)X波段可由饋電電流有效控制，頻帶特性及其電控效果基本達(dá)到了預(yù)先采用軟件仿真手段設(shè)計(jì)的指標(biāo)。同時(shí)，所研制的可電控吸波屏在寬角域內(nèi)也能呈現(xiàn)出良好的吸波性能和靈活的頻帶可電控特性。通過(guò)調(diào)節(jié)饋電電流，在與PIN管極性方向平行和垂直的入射面上，實(shí)驗(yàn)樣品板實(shí)現(xiàn)了對(duì)0°-30°入射平面波的吸波頻帶特性的有效控制，同時(shí)保證了-15dB以下的反射系數(shù)。所研制的新型雙環(huán)FSS