一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法与流程

本发明涉及一种电磁参数提取方法，具体是指一种在舱室结构下的对复合材料进行电磁参数提取的方法，属于电磁防护以及电磁环境效应的技术领域。

背景技术：

目前，先进的复合材料以高强度、耐腐蚀、轻体重等诸多独特的优点逐渐替代金属材料，被广泛的应用于航空航天等工业领域。复合材料与金属材料相比，具有复杂的微观几何构型，在介电常数、电导率上具有较大差异，这将造成航空航天器电磁能量耦合路径与屏蔽效能的不同。由于碳纤维复合材料的导电性能远低于金属材料，会使得航空航天器对电磁环境的屏蔽效能远远降低。通过开展复合材料电磁参数的提取方法研究，可作为航空航天器复合材料的电磁参数输入，为航空航天器电磁防护设计奠定重要基础。

现有技术中，对于复合材料电磁参数提取方法的研究，有以下所列的计算模型、仿真与试验方法。

中国发明专利申请cn101655525a提供了一种基于支持向量机(svm，supportvectormachine)的人工电磁材料电磁参数提取方法，该方法能够测试左手材料及具有周期性结构的人工电磁材料，且测试结果精度高，测试样品制作简单。此发明是利用计算电磁学的数值计算方法fem和fdtd计算被测材料的传输与反射系数，将相应计算结果作为训练序列对支持向量机进行训练。当支持向量机经过充分训练以后，可以通过输入传输与反射系数的测量值，计算得到被测材料的等效介电常数和等效磁导率。

中国发明专利申请cn104931818a提出一种非对称人工电磁材料电磁参数的提取方法，用以解决由于结构的不对称性导致无法提取材料电磁参数的问题，首先单独仿真第一层材料的散射参数s′；利用s′与对称结构算法计算第一层材料的电磁参数；仿真非对称人工电磁材料的外部散射参数s；基于s与第一层的电磁参数获得第二层的电磁参数；利用s与第二层电磁参数重新修正第一层的电磁参数；循环上述步骤，直至修正后的两层中的电磁参数在整个频段内不再明显变化，将此作为最终电磁参数。

复合材料提取方法有很多传统测试方法，如谐振腔法和网络参数法。中国发明专利申请cn106053956a提供了一种材料介电常数测试系统及基于该测试系统的测试方法，包括同轴谐振腔和控制系统。同轴谐振腔包括腔体和伸出腔体的探针；控制系统用于提供同轴谐振腔的微波输入信号，探针在腔体外形成电磁场，待测样品通过对该电磁场的干扰从而改变所述同轴谐振腔的微波输出信号；控制系统通过对放置待测样品前后的微波输出信号进行分析计算得到待测样品的介电常数。该材料介电常数测试系统数据处理简单，测试效率高；并且通过伸出腔体的探针对待测样品进行扫描式检测，测试速度快。

在2013年第55期第1178-1186页《ieeetransactionsonemc》期刊中公开的文献《effectivepermittivityofshieldingeffectivenessmaterialsformicrowavefrequencies》，其中preault等提出了基于掺杂物问题的等效电磁参数均匀化方法研究，引入描述纤维结构的特征长度，计算了纤维在截面上呈正方形排列时复合材料等效电磁参数。

但是，这些已有的技术方案与本发明提出的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法存在明显的差异，建立的计算模型、测试方法与拟合方法等均不相同。

基于上述，本发明提出一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，模拟了复合材料舱室环境，解决了现有技术中存在的缺点和限制，为航空航天器复合材料电磁防护设计仿真电参数输入提供一种新型有效的方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，模拟复合材料舱室环境，电磁参数提取精度高，为航空航天器复合材料电磁防护设计的仿真电参数输入提供有效基础。

为实现上述目的，本发明提供一种舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，包含以下步骤：

s1、建立复合材料的均匀化计算模型；

s2、对复合材料在舱室结构下的屏蔽效能与相变系数进行测试；

s3、复合材料在舱室结构下的电磁参数提取；包括：

s31、通过拟合得到复合材料等效相对介电常数的初始值以及等效电导率初始值；

s32、通过仿真计算得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能；

s33、当全部频点的屏蔽效能均满足精度要求时，确定相对介电常数初始值和电导率初始值为舱室结构下的复合材料的电磁参数，否则以一定步长修正电磁参数重新进行仿真计算直至满足精度要求。

所述的s1中，通过将复合材料等效为均匀材料，建立复合材料的屏蔽效能secal的计算模型，以及建立相变系数βcal与复合材料等效相对介电常数εer、等效电导率σe之间的计算模型。

所述的s2中，构建复合材料舱室结构为正方体单元，其中相对两个侧面设置为金属材料，其余四个侧面设置为电磁参数未知的复合材料，模拟复合材料舱室环境。

所述的s2中，在复合材料舱室结构的中心位置设置接收天线，在复合材料舱室结构的外部设置发射天线并照射该舱室结构；在发射天线激励照射下，通过对比有无复合材料舱室结构时的由接收天线测量到的电场场强和相位，得到复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能和测试相变系数。

具体的，复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能setest和测试相变系数βtest的计算公式为：

其中，et为存在复合材料舱室结构时，舱室结构中心位置的接收天线检测到的电场场强，ecali为不存在复合材料舱室结构时，接收天线检测到的电场场强，作为电场校准值，为两次电场场强测量时的相位差，l为复合材料的厚度。

所述的s31中，具体为：采用s2中得到的复合材料舱室结构的测试屏蔽效能setest和测试相变系数βtest，与s1中得到的复合材料屏蔽效能secal和相变系数βcal的计算模型进行拟合，获取复合材料等效相对介电常数的初始值εer0及其拟合上下限范围，以及复合材料等效电导率的初始值σe0及其拟合上下限范围。

其中，拟合条件为：

所述的s32中，具体为：建立与s2中相同的复合材料舱室结构的仿真模型；采用复合材料等效相对介电常数初始值εer0和等效电导率初始值σe0定义复合材料的属性；采用与s2中相同的发射天线进行激励照射，设置发射天线的激励幅度与频点，并设置复合材料舱室结构的中心位置求解电场；获得设置频点时的复合材料舱室结构的中心位置的场强值，以及在无复合材料舱室结构时的中心位置的校准场强值，通过对比得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能。

所述的s33中，具体为：将s32中通过仿真计算得到的复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能与s2中通过测试计算得到的复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能进行对比评估，若存在频点不满足精度要求的情况，修正相对介电常数初始值或电导率初始值，并重新进行仿真计算，直至满足精度要求；最后确定满足精度要求的相对介电常数值和电导率值为舱室结构下的复合材料的电磁参数。

综上所述，本发明提供的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，模拟复合材料舱室环境，有效解决复合材料非均匀特点带来的电磁参数提取难的问题，且电磁参数提取精度高，为航空航天器复合材料电磁防护设计的仿真电参数输入提供有效基础。

附图说明

图1为本发明中的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法的流程图；

图2为本发明中的复合材料的舱室结构及其几何参数的结构示意图；

图3为本发明中的复合材料在舱室结构下通过仿真得到的屏蔽效能与测试得到的屏蔽效能的对比示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图3，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

如图1所示，为本发明提供的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，包含以下步骤：

s1、建立复合材料的均匀化计算模型；

s2、对复合材料在舱室结构下的屏蔽效能与相变系数进行测试；

s3、复合材料在舱室结构下的电磁参数提取；包括：

s31、通过拟合得到复合材料等效相对介电常数的初始值以及等效电导率初始值；

s32、通过仿真计算得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能；

s33、当全部频点的屏蔽效能均满足精度要求时，确定相对介电常数初始值和电导率初始值为舱室结构下的复合材料的电磁参数，否则以一定步长修正电磁参数重新进行仿真计算直至满足精度要求。

所述的s1中，通过将复合材料等效为均匀材料，建立复合材料的屏蔽效能secal的计算模型，以及建立相变系数βcal与复合材料等效相对介电常数εer、等效电导率σe之间的计算模型。

所述的s1中，具体包含以下步骤：

s11、将复合材料等效为均匀材料，等效的相对介电常数设为εer，等效的电导率设为σe，则复合材料的复介电常数εe表示为：

其中，ε0为真空介电常数；ω为入射波角频率；

s12、根据传输线理论，在均匀材料的厚度l处，均匀材料表面的反射系数rl和透射系数tl分别为：

其中，η0为真空波阻抗，且ηe为均匀材料的波阻抗，且μ0为真空磁导率；

s13、在入射波一侧(即在均匀材料的厚度0处)，均匀材料表面的反射系数r0和透射系数t0分别为：

s14、复合材料的屏蔽效能secal的计算模型为：

secal＝-20lg(|tl×t0|)；

根据导电媒质中的非齐次helmholtz方程得到，相变系数βcal与复合材料等效相对介电常数εer、等效电导率σe之间的计算模型为：

所述的s2中，构建如图2所示的复合材料舱室结构。该复合材料舱室结构为正方体单元，左右两侧为金属材料，其余四面为电磁参数未知的复合材料，模拟复合材料舱室环境。在本发明的优选实施例中，该复合材料舱室结构的长宽高尺寸为1m×1m×1m，复合材料的厚度为l＝2.5mm。

所述的s2中，在复合材料舱室结构的中心位置设置接收天线，在复合材料舱室结构的外部设置发射天线并照射舱室结构；在发射天线激励照射下，通过对比有无复合材料舱室结构时的由接收天线测量到的电场场强和相位，得到复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能和测试相变系数。

具体的，复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能setest和测试相变系数βtest的计算公式为：

其中，et为存在复合材料舱室结构时，舱室结构中心位置的接收天线检测到的电场场强，ecali为不存在复合材料舱室结构时，接收天线检测到的电场场强，作为电场校准值，为两次电场场强测量时的相位差，l为复合材料的厚度。

在本发明的优选实施例中，发射天线设置在距离舱室结构中心位置的10m处，且发射天线的中心与舱室结构中心位置等高且处于同一直线上，电磁波传播方向垂直于舱室结构上的复合材料平面。接收天线设置在舱室结构的中心位置，探测电场场强和相位。

其中，在100mhz～1ghz的频率范围内，采用对周天线作为发射天线进行激励照射，扫频间隔为10mhz。首先进行校准试验，在无复合材料舱室结构时，由接收天线测量电场场强ecali；然后，保持发射天线激励的功率不变，在存在复合材料舱室结构时，由接收天线测量电场场强et，并计算得到复合材料舱室结构的测试屏蔽效能setest和测试相变系数βtest。

其中，在1ghz～6ghz的频率范围内，采用双脊喇叭天线作为发射天线进行激励照射，扫频间隔为50mhz。首先进行校准试验，在无复合材料舱室结构时，由接收天线测量电场场强ecali；然后，保持发射天线激励的功率不变，在存在复合材料舱室结构时，由接收天线测量电场场强et，并计算得到复合材料舱室结构的测试屏蔽效能setest和测试相变系数βtest。

需要指出的是，复合材料的尺寸，厚度，发射天线距离距离舱室结构中心位置的距离，不同频段内的天线选择，以及扫频间隔等，均不局限于上述所述的参数范围内。

所述的s31中，具体为：采用s2中得到的复合材料舱室结构的测试屏蔽效能setest和测试相变系数βtest，与s1中得到的复合材料屏蔽效能secal和相变系数βcal的计算模型进行拟合，获取复合材料等效相对介电常数的初始值εer0及其拟合上下限范围，以及复合材料等效电导率的初始值σe0及其拟合上下限范围。

其中，所拟合条件为：

在本发明的优选实施例中，舱室结构下的复合材料采用碳纤维增强复合材料(复合材料一般由两种以上材料组成，本实施例中由碳纤维和合成树脂构成)，其中采用的碳纤维的相对介电常数大约为1，电导率大约为500；树脂基体的相对介电常数约为5，电导率为0。因此得到，复合材料等效相对介电常数的拟合上下限范围为(1，5)，复合材料等效电导率的拟合上下限范围为(0，500)，两者拟合的初始值分别为εer0＝1.18，σe0＝104.20。

所述的s32中，具体为：建立如图2所示的复合材料舱室结构的仿真模型，该复合材料舱室结构的参数与s2中保持一致；采用复合材料等效相对介电常数初始值εer0和等效电导率初始值σe0定义复合材料的属性；采用与s2中相同的发射天线进行激励照射，设置发射天线的激励幅度与频点，并设置复合材料舱室结构的中心位置求解电场；获得设置频点的复合材料舱室结构的中心位置的场强值；

在仿真校准时，除了不设置复合材料舱室结构，其余所有参数包括材料属性、发射天线、频点等均与以上相同，从而获得在无复合材料舱室结构时的中心位置的校准场强值；将所述的场强值与校准场强值对比以确定复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能。

在本发明的优选实施例中，建立如图2所示的复合材料舱室结构的仿真模型，相关参数亦如图2所示，即该复合材料舱室结构的长宽高尺寸为1m×1m×1m，复合材料的厚度为l＝2.5mm。用相对介电常数εer0＝1.18，电导率σe0＝104.20定义复合材料的属性。

采用对周天线作为发射天线，设置在距离舱室结构中心位置的10m处，电磁波传播方向垂直于舱室结构上的复合材料平面。设置对周天线的端口激励幅度为1，分别设置三个求解频点200mhz、400mhz和600mhz；并设置复合材料舱室结构的中心位置(0，0，0)求解电场。将建立的工程文件提交feko计算，获得设置频点的复合材料舱室结构的中心位置的场强值。建立另一工程文件，除了不设置复合材料舱室结构，其余所有参数包括材料属性、发射天线、频点等均与以上相同，获得在无复合材料舱室结构时的中心位置的校准场强值；将所述的场强值与校准场强值对比以确定复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能。

或者采用双脊喇叭天线作为发射天线，设置在距离舱室结构中心位置的10m处，电磁波传播方向垂直于舱室结构上的复合材料平面。设置双脊喇叭天线的端口激励幅度为1，分别设置六个求解频点1ghz，1.5ghz，2.5ghz，3ghz，4ghz，5ghz；并设置复合材料舱室结构的中心位置(0，0，0)求解电场。后续操作与上述对周天线的仿真步骤相同，从而计算得到复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能。

所述的s33中，具体为：将s32中通过仿真计算得到的复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能与s2中通过测试计算得到的复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能进行对比评估，若存在频点不满足精度要求的情况，需以一定步长修正相对介电常数初始值或电导率初始值，并重新进行仿真计算，直至满足精度要求；最后确定满足精度要求的相对介电常数值和电导率值为舱室结构下的复合材料的电磁参数。

在本发明的优选实施例中，要求s32中通过仿真计算得到的复合材料在舱室结构下的各频点的屏蔽效能与s2中通过测试计算得到的复合材料在舱室结构下的测试屏蔽效能的差值在6db以内。对比仿真结果与测试结果后发现，在3ghz频点仿真屏蔽效能与测试差值大于6db，不满足精度要求。由于屏蔽效能的仿真值较小，而电导率越大则屏蔽效能效果较好，因此选择步长50s/m来增加电导率的值并重新进行上述仿真计算。最终当εer0＝1.18，且σe0＝204.20时满足精度要求，从而选定复合材料在舱室结构下的等效相对介电常数为1.18，等效电导率为204.20。

如图3所示，为εer0＝1.18，且σe0＝204.20时，复合材料在舱室结构下仿真得到的屏蔽效能与测试得到的屏蔽效能的对比，两者吻合较好，并满足频点差值小于6db的高精度要求。由此表明本专利提出的一种舱室结构下复合材料电磁参数的提取方法，可为航空航天器舱室的电磁防护设计提供电参数提取的有效技术方案。

综上所述，本发明所提供的舱室结构下复合材料电磁参数提取方法，通过构建相对两个侧面为金属材料，其与四个侧面为复合材料的正方体单元作为舱室结构，用于模拟复合材料舱室环境。

并且本发明通过将舱室结构下的复合材料电磁参数均匀化，建立电磁参数与屏蔽效能、相变系数的计算模型；随后通过测试复合材料舱室结构下的屏蔽效能与相变系数，利用建立的计算模型拟合测试结果反演电磁参数的初始值；最后将反演得到的电磁参数初始值进行仿真计算屏蔽效能，并对比仿真结果与测试结果并不断修正仿真中电磁参数的初始值，寻取舱室结构下的复合材料电磁参数的最优解。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。