融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电磁吸收体的设计方法，特别是一种融合等效电路和遗传算法的方环 阵列电磁吸收体设计方法。
【背景技术】
[0002] 在日益重要的隐身和电磁兼容（EMC)技术中，电磁波吸收材料的作用和地位十分 突出，已成为现代军事中电子对抗的法宝和秘密武器。目前电路模拟吸收体作为一种结构 型的吸波材料受到广泛关注。电路模拟吸收体中常见的一种结构即由吸波材料中周期性金 属条、栅、片构成的电阻片组成。
[0003] 等效电路可用于对电阻片的电感、电容等参数进行分析和设计，但由于单元周期 之间复杂的耦合，往往不易获得精确的等效电路。近年来，对于等效电路的研宄多数停留在 定量分析，即可以用于解释吸收体的反射特性，却无法用于精确的指导设计。
[0004] 方环阵列是一种经典的频率选择表面（FSS)结构，它能够实现双极化特性，并可 以在固定的基底材料上实现较大带宽。近几年来，加载了集总电阻的方环阵列的等效电路 的研宄往往忽视或粗略估计整个结构的欧姆损耗，导致等效电路的不准确。
[0005] 在等效电路的基础上，通过适当的优化算法即可实现吸收体的快速设计。优化算 法有许多种，例如：退火算法、蚁群算法、遗传算法。其中遗传算法以其灵活性强等优点，经 常用于各类吸收体的优化设计中。
[0006] 但是现有技术中尚无一种融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计 方法。
【发明内容】
[0007] 本发明所解决的技术问题在于提出一种融合等效电路和遗传算法的方环阵列电 磁吸收体设计方法。此方法可用于基于不同需求的宽带、低剖面微波吸收体设计。
[0008] 实现本发明目的的具体技术解决方案为：一种融合等效电路和遗传算法的方环阵 列电磁吸收体设计方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1、根据吸收体的工作频段&~匕选择介质基底材料的介电常数ei、厚度屯 与层数n，之后将这些介质基底一层一层叠起放置，最后一层介质基底采用金属板接地；
[0010] 介质基底材料的厚度di、层数n与介电常数e i的确定公式为：
【主权项】
1. 一种融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计方法，其特征在于，包括 以下步骤： 步骤1、根据多层吸收体的工作频段4~^选择介质基底材料的介电常数ei、厚度di与层数n，之后将这些介质基底一层一层叠起放置，最后一层介质基底采用金属板接地； 步骤2、每两层介质之间空置或放置金属贴片阵列，所述金属贴片阵列为单环阵列或双 环阵列； 步骤3、确定单环与双环阵列的输入阻抗； 步骤4、对多层吸收体结构进行等效，确定吸收体的输入阻抗； 步骤5、根据吸收体的输入阻抗，确定吸收体的反射系数； 步骤6、定义目标函数，采用遗传算法优化吸收体结构，从而得到优化的吸收体结构。
2. 根据权利要求1所述的融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计方法， 其特征在于，步骤1中介质基底材料的厚度屯、层数n与介电常数￡i的确定公式为：
其中c为光在自由空间中的传播速率。
3. 根据权利要求1所述的融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计方法， 其特征在于，步骤2中单环阵列与双环阵列均由方环通过二维排布组成，其中单环为一个 方环，双环为中心线重合的两个方环，每个方环均为方形环状金属贴片，其四臂的中心加载 集总电阻； 单环与双环阵列的周期长度均为P;双环阵列中，外环的外围边长为％，宽度为Wl，两外 环之间的距离为gl，四臂加载的集总电阻阻值为心;双环阵列中，内环的外围边长为a2，宽 度为w2，内外环之间的距离为g2，内环四臂加载的集总电阻阻值为&2; 单环外围边长a，宽度为w，两环之间的距离为g，四臂加载的集总电阻阻值为％。
4. 根据权利要求1所述的融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计方法， 其特征在于，步骤3中确定单环与双环阵列的输入阻抗具体为： 步骤3-1、将单环阵列等效为串联谐振电路，其中Xf、Bf、Rf分别代表单环串联电路中的 感抗、容抗和欧姆损耗； 将双环阵列的内、外两环分别由两个串联电路等效，双环阵列总体的等效电路为两个 串联电路的并联电路，其中Xfl、Bfl、Rfl分别代表双环阵列中外环的等效电路的感抗、容抗和 欧姆损耗，Xf2、Bf2、Rf2分别为双环阵列中内环的等效电路的感抗、容抗和欧姆损耗； 步骤3-2、根据上述等效结果，确定单环与双环等效电路中的感抗、容抗，具体公式如 下： 单环和双环阵列的感抗和容抗（Xf、Bf、Xfl、Bfl、Xf2、Bf2)的计算基于函数F，其中F函数 的计算如下： F(px,dx,Xx)=px/Ax ?c〇s[ln(cscO. 5 3idx/px)+G(px,dx,Ax)] 其中px、dx、Ax均为函数中的变量，且
_ ? CN 104809270 A _权利要求书_ _2/3页
单环阵列的感抗Xf、容抗民的计算公式如下：
双环阵列的感抗、容抗（Xfl、Bfl、Xf2、Bf2)的计算公式如下：
Bfl ?Z0= 0? 75a1；/p?BpBf2 ?Z0=a2/p?BA/ (Bi+B^ ; 其中入为自由空间波长，入$等效介质波长，计算公式为入e=入八￡ 6广_5,其中、 为等效介电常数，计算公式为
其中屯、e,为介质基底 的厚度、介电常数，wa为单环/双环金属臂的平均宽度；其中Z^为自由空间阻抗377Q; 步骤3-3、根据上述等效结果，确定单环与双环等效电路中的欧姆损耗，具体计算公式 如下： 单环和双环阵列的欧姆损耗（Rf、Rfl、Rf2)的计算基于函数R，其中R函数的计算如下：
其中M= 0. 014 ?ey?Ry，f；=1. 67c/(py+ay_wy) ;c为光在自由空间中的传播速率，f为频率私、&7力、心、￡7均为函数中的变量； 因此，单环阵列的欧姆损耗Rf=R(p，a，w，R&eJ，双环阵列的欧姆损耗Rfl、Rf2的计算 如下： Ri=R(p,a1；w1；R01,ee),R2=R(p,a2,w2,R02,ee) Rfl=R1；Rf2= 2R! ?R2/ (R!+R2)； 步骤3-4、根据上述等效结果，计算单环、双环阵列的输入阻抗，所用公式如下： 单环阵列的输入阻抗的计算公式为：zsurf=Rf+j(xf-i/Bf) 双环阵列的输入阻抗的计算公式为： Zsurf =[Rn+j(Xfl-1/Bf2) ]II[Rf2+j(Xf2-1/Bf2)]。
5.根据权利要求1所述的融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计方法， 其特征在于，步骤4中对多层吸收体结构进行等效，确定吸收体的输入阻抗具体为： 步骤4-1、将多层吸收体等效为一个串并联混合电路，其中多层吸收体的接地面等效为 短路，每一层介质基底等效为一段传输线，每一层的单环、双环阵列等效方法与步骤3-1相 同； 步骤4-2、根据上述等效结果，确定多层吸收体的输入阻抗，具体计算公式如下：
Zsurf, i-Zsub；i| | [Rf；i+j(Xf；j)] 其中eJPd别是第i( = 1，2,….n)层介质基底的相对介电常数和厚度；ZsuUi和 分别代表第i层介质和第i'层方环阵列的阻抗；f为频率；其中当i= 1时， 〇 ； 通过以上两组公式的叠加，当i=n'时，Zsurf，n即为吸收体的输入阻抗Zin。
6. 根据权利要求1所述的融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计方法， 其特征在于，步骤5中根据吸收体的输入阻抗，确定吸收体的反射系数r所用公式为： r= (zin-z〇)/(zin+z〇) 其中ZQ为自由空间阻抗377D。
7. 根据权利要求1所述的融合等效电路和遗传算法的方环阵列电磁吸收体设计方法， 其特征在于，步骤6中所述目标函数的公式如下： 将步骤5得出的吸收体的反射系数r采样为n个点ria= 1~N)，自适应函数定义 N 为= = 其中r'LE且ri+1〈LE，BW为吸收体的带宽，LE为根据实际 需求定义的反射系数标准。
【专利摘要】本发明提出一种快速高效设计基于方环阵列的吸收体的方法 — 方环阵列等效电路结合遗传算法。该方法首先在无耗方环阵列的等效电路模型基础上，引入电阻损耗与等效介电常数两个参量，得出中心加载集总电阻的单/双环阵列等效电路模型及计算公式；然后结合传输线理论，最终推导出多层结构吸收体的等效电路；最后在等效电路的基础上，采用遗传算法对结构的性能进行优化，形成完整的优化设计流程。该方法可设计基于方环阵列的多层吸收体，并可根据实际需求来定义设计目标，可自由设计宽带低剖面吸收体。使用该方法设计吸收体，时间短、误差小并且效率高。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104809270
【申请号】CN201510121477
【发明人】车文荃, 韩叶, 熊瑛, 常玉梅
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年3月19日