一种多层透波结构的确定方法与流程

1.本技术属于天线罩电磁性能分析技术领域，具体涉及一种多层透波结构的确定方法。


背景技术：

2.机载天线罩、导弹天线罩、雷达天线罩的各类透波结构是保证天线稳定可靠工作的重要部件，在进行高性能的天线罩设计制造时，天线罩的本体不仅应满足空气动力学的要求，同时应该具备宽频带、大入射角度电磁波的透波能力，在实际工程应用中，传统的天线罩电磁性能分析主要分为解析方法、低频算法、高频算法，解析方法能准确的计算天线罩的性能，但是公式推导繁琐复杂，对于非规则天线罩难以得到准确度求解公式，低频算法主要包括矩量法、有限元法等，其计算精度高、计算准确，但是运算量很大，计算速度慢，现有计算机资源无法满足电大尺寸计算的要求，高频算法主要包括几何光学法、物理光学法等，其计算量小和运行速度快，但计算精度不高，仅适用于罩体曲面半径相对较大的天线罩，所以，对于复杂天线罩的电磁性能分析，常常利用高频算法与低频算法混合的方式进行计算分析，大大的限制了计算效率、分析效率及电磁性能的分析精度。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术提供了一种多层透波结构的确定方法，基于多层透波结构模型来分析多层透波结构的透波特性，能够在保证高计算精确度的同时，提高计算效率。
4.本技术的实施例提供了一种多层透波结构的确定方法，所述方法包括：
5.根据多层介质平板结构所产生的透波传输系数和反射系数，分别构建三层传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型、第二层透波结构模型、第三层透波结构模型；
6.根据电磁性能设计目标，在所述三层传输线等效电路模型中设置目标函数、射频范围、斜入射角度范围及各层需优化的电介质性能指标；所述各层需优化的电介质性能指标包括介电常数和厚度参数；
7.对所述三层传输线等效电路模型进行优化，获得满足射频范围、斜入射角度范围和目标函数的各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数；
8.对所述最优介电常数和厚度参数进行微调优化，得到优化后的三层透波结构。
9.可选地，在获得最优介电常数和厚度参数后，对所述最优介电常数和所述厚度参数进行仿真试验求解计算，得到透波率曲线，所述透波率曲线作为验证电磁性能优化结果。
10.可选地，根据多层介质平板结构所产生的透波传输系数和反射系数，分别构建三层传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型、第二层透波结构模型、第三层透波结构模型之前，还包括：
11.根据等效传输线理论对雷达天线罩初始的多层介质平板结构进行透波特性分析，得到透波特性分析结果，并依据所述透波特性分析结果推导出多层介质平板结构的二阶传输矩阵；
12.根据确定的二阶传输矩阵，计算出天线电磁波经多层介质平板结构时所产生的透波传输系数和反射系数。
13.可选地，根据多层介质平板结构所产生的透波传输系数和反射系数，分别构建三层传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型、第二层透波结构模型、第三层透波结构模型，包括：
14.根据第一层介质平板的透波传输系数，构建第一层透波结构模型；
15.在所述第一层透波结构模型的基础上，再根据反射系数和第二层介质平板的厚度参数，构建第二透波结构模型；
16.在基于所述第二透波结构模型的基础上，根据天线电磁波当前簇首节点的透波变量和第三层介质平板的厚度参数，构建第三层透波结构模型。
17.可选地，所述反射系数的设置范围，包括：
18.当电磁波基于垂直极化状态时，所述反射系数的设置范围在大于0
°
至小于90
°
之间；
19.当电磁波基于水平极化状态时，所述反射系数的设置范围在大于0
°
至小于90
°
之间。
20.可选地，根据电磁性能设计目标，在所述三层传输线等效电路模型中设置目标函数、射频范围、斜入射角度范围及各层需优化的电介质性能指标；所述各层需优化的电介质性能指标包括介电常数和厚度参数，包括：
21.根据电磁性能设计目标，在所述三层传输线等效电路模型中设置目标函数、射频范围、斜入射角度范围，以及结合实际介质材料制备要求在所述第一层透波结构模型、第二层透波结构模型和第三层透波结构模型中设置各层需优化的介电常数和厚度参数。
22.可选地，对所述三层传输线等效电路模型进行优化，获得满足射频范围、斜入射角度范围和目标函数的各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数，包括：
23.在所述第一层透波结构模的电介质性能指标保持不变的情况下，根据射频范围、斜入射角度范围对所述第二层透波结构模型进行参数修改，则基于修改后的第二层透波结构模型，对从属于该第二层透波结构模型的第三层透波结构模型进行参数修改；
24.再利用优化算法分别计算修改后所述各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数。
25.可选地，对所述三层传输线等效电路模型进行优化，获得满足射频范围、斜入射角度范围和目标函数的各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数，还包括：
26.若根据射频范围、斜入射角度范围对所述第三层透波结构模型进行参数修改，则所述第一层透波结构模型和所述第二层透波结构模型不作处理；
27.再利用优化算法分别计算修改后所述各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数。
28.可选地，对所述最优介电常数和厚度参数进行微调优化，得到优化后的三层透波结构，包括：
29.利用三维电磁仿真模型，按照电磁性能设计要求和满足实际介质材料制备要求对所述各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数进行微调优化，得到优化后的最优介电参量值和厚度参量值；
30.根据优化后的最优介电参量值和厚度参量值，生成预测的三层透波结构。
31.有益效果：
32.(1)本技术实施例提出的多层透波结构的确定方法，相比于传统的基于单层模型利用多种算法结合的性能分析方法，节省了大量网格剖分以及高频算法结合低频算法混合的方式所需的计算时间；本方案通过构建层级传输线等效电路模型，在层级传输线等效电路模型中设置电介质性能指标，并对该层级传输线等效电路模型中设置的电介质性能指标进行修改，从而能够直接得到层级传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型、第二层透波结构模型、第三层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数，并对最优介电常数和厚度参数进行微调优化，得到优化后的三层透波结构，通过灵活构建多层透波结构模型来分析多层透波结构的透波特性，能够在保证高计算精确度的同时，提高计算效率，基于三层透波结构模型有效地节省了复杂繁琐的理论推导，同时通过层级透波结构可以推导出影响每一层雷达天线罩的透波特性的主要结构参数，大大提高天线罩透波结构的设计效率。
33.(2)在本技术一具体实施方式中，构建二阶传输矩阵，从而计算出天线电磁波经多层介质平板结构时所产生的透波传输系数和反射系数，能够基于透波传输系数和反射系数在ads电子设计自动化软件中构建层级透波结构模型，优化了推导过程，有利于构建灵活的分析机制，有助于提高了分析多层透波结构的分析效率和分析精确度。
34.(3)在本技术一具体实施方式中，利用等效传输线理论对多层介质平板结构所产生的透波传输系数和反射系数构建三层传输线等效电路模型中，省去基于多种算法复杂繁琐的理论推导过程。
35.(4)在本技术一具体实施方式中，根据透波率曲线分析验证电磁性能优化结果，能够直接从透波率曲线读取每一层透波特性的主要结构参数，效果更直观，特别适用于大量参数的优化结果分析。
36.(5)在本技术一具体实施方式中，通过ads中的优化控件计算修改后的三层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数，能够节省了大量网格剖分以及高频算法结合低频算法混合的方式所需的计算时间，同时可根据层级的推导过程分析影响多层天线罩的透波特性的主要结构参数，提高计算速度和计算精度。
附图说明
37.图1是根据本技术实施例的多层透波结构的确定方法的流程图；
38.图2是根据本技术实施例的多层透波结构的确定方法中构建多层透波结构模型的结构示意图；
39.图3是根据本技术实施例的多层透波结构的确定方法中获得三层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数所表征的透波率曲线示意图。
40.图4是根据本技术实施例的多层透波结构的确定方法中优化后的三层透波结构所表征的透波率曲线示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图并举实施例，对本技术进行详细描述。
42.图1是根据本技术实施例的一种多层透波结构的确定方法的流程图，如图1所示，
本技术的多层透波结构的确定方法包括如下步骤：
43.步骤s10，根据多层介质平板结构所产生的透波传输系数和反射系数，分别构建三层传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型、第二层透波结构模型、第三层透波结构模型。
44.在步骤s10具体实施时，利用ads(advanced design system，电子设计自动化软件)的s参数仿真功能(s-parameter simulation)，根据第一层介质平板的透波传输系数，构建三层传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型，在建立好的第一层透波结构模型的基础上与反射系数第二层介质平板的厚度参数进行绑定处理，得到三层传输线等效电路模型中的第二透波结构模型，在根据建立好的第二透波结构模型的基础上与天线电磁波当前簇首节点的透波变量和第三层介质平板的厚度参数行绑定处理，得到三层传输线等效电路模型中的第三层透波结构模型，上述步骤通过灵活构建多层透波结构模型来分析各层透波结构的透波特性，与传统的基于单层模型利用多种算法结合的性能分析方法相比，运算速度快，且在保证高计算精确度的同时大大提高计算效率。
45.步骤s20，根据电磁性能设计目标，在三层传输线等效电路模型中设置目标函数、射频范围、斜入射角度范围及各层需优化的电介质性能指标；各层需优化的电介质性能指标包括介电常数和厚度参数。
46.在步骤s20具体实施时，利用ads中的目标控件在三层传输线等效电路模型中设置射频范围、斜入射角度范围，以及分别在第一透波结构模型、第二透波结构模型和第三透波结构模型中设置各层需优化的电介质性能指标，上述目标函数的表达式为：db(s(2,1))》-1.5，射频范围为5ghz～18ghz，斜入射角度范围设定在大于0
°
至小于90
°
之间，上述步骤通过在三层传输线等效电路模型中进行电磁性能设计，有效地节省了基于多种算法复杂繁琐的理论推导。
47.步骤s30，对三层传输线等效电路模型进行优化，获得满足射频范围、斜入射角度范围和目标函数的各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数。
48.在步骤s30具体实施时，按照电磁性能设计要求，在第一层透波结构模型的电介质性能指标保持不变的情况下，直接对三层传输线等效电路模型中第二透波结构模型设置的处于垂直极化状态或处于水平极化状态下的斜入射角度范围和射频范围进行参数修改，基于修改后的第二层透波结构模型的斜入射角度输出，对从属于该第二层透波结构模型的第三透波结构模型斜入射角度输入进行参数修改，并通过ads中的优化控件计算修改后的第一透波结构模型、第二透波结构模型和第三透波结构模型各层的最优介电常数和厚度参数，上述步骤基于各层透波结构模型的修改参数进行优化，有利于推导出影响每一层透波结构模型的透波特性的主要结构参数，提高计算精度和计算效率。
49.步骤s40，对最优介电常数和厚度参数进行微调优化，得到优化后的三层透波结构。
50.步骤s40在具体实施时，在对最优介电常数和厚度参数进行微调优化之前，还包括：分别将第一透波结构模型、第二透波结构模型和第三透波结构模型的最优介电常数和厚度参数输入到三维电磁仿真模型中进行仿真试验求解计算，得到第一透波结构模型、第二透波结构模型和第三透波结构模型的最优参量值，并根据仿真后的三层透波结构模型的最优参量值，生成三层透波结构模型的透波率曲线，透波率曲线作为验证电磁性能优化结
果；然后，根据三维电磁仿真模型，按照电磁性能设计要求和满足实际介质材料制备要求，对第一透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值进行微调优化，得到优化后的第一透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值；按照电磁性能设计要求和满足实际介质材料制备要求，对第二透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值进行微调优化，得到优化后的第二透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值，按照电磁性能设计要求和满足实际介质材料制备要求，对第三透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值进行微调优化，得到优化后的第三透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值，分别根据优化后的三透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值，生成预测的三层透波结构，上述步骤对ads中的三层透波结构模型的计算结果进一步的微调优化，提高优化效率的同时，保证了高计算精度。
51.在本技术实施例中，上述步骤s10，根据多层介质平板结构所产生的透波传输系数和反射系数，分别构建三层传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型、第二层透波结构模型、第三层透波结构模型之前，还包含有如下内容：
52.步骤01，根据等效传输线理论对雷达天线罩初始的多层介质平板结构进行透波特性分析，得到透波特性分析结果，并依据特性分析结果推导出多层介质平板结构的二阶传输矩阵。
53.步骤02，根据确定的二阶传输矩阵，计算出天线电磁波经多层介质平板结构时所产生的透波传输系数和反射系数。
54.步骤01、02在具体实施时，先根据等效传输线理论对雷达天线罩初始的多层介质平板结构进行透波特性分析，得到透波特性分析结果，并依据特性分析结果推导出多层介质平板结构的二阶传输矩阵的具体公式为：
[0055][0056]
其中，代表第i层介质平板结构的二阶传输矩阵，i＝1,2,3，zi代表第i层介质平板结构相对自由空间特征阻抗，hi代表第i层介质平板结构的厚度参数，chj和shj代表当前簇首节点的透波变量；γi代表第i层介质平板结构的传播常数，这里，令则εi代表第i层介质平板结构的介电常数，μi代表第i层介质平板结构的磁导率，λ0代表自由空间的电磁波波长；θi代表第i层介质平板结构的电磁波的斜入射角度；
[0057]
进一步地，上述多层介质平板结构相对自由空间特征阻抗还包括：
[0058]
需要说明的是在本实施例中当自由空间特征阻抗处于垂直极化状态时，则自由空间特征阻抗表示为当自由空间特征阻抗处于水平极化状态时,则自由空间特征阻抗表示为具体计算公式为：
[0059]
令
[0060]
令
[0061]
其中，z0代表自由空间特征阻抗的入射角度为0
°
，μi代表第i层介质平板结构的磁导率，εi代表第i层介质平板结构的介电常数，sinθ
i2
代表第i层介质平板结构的正弦周期函数，根据三角函数转换公式得到角度的自变量从而推导出处于垂直极化状态的自由空间特征阻抗和处于水平极化状态的自由空间特征阻抗
[0062]
根据确定的二阶传输矩阵中的特征向量，按照以下公式，计算出天线电磁波经每一层介质平板结构时所产生的透波传输系数和反射系数；
[0063][0064][0065]
其中，ai、bi、ci、di代表二阶传输矩阵中的特征向量，zi代表第i层介质平板结构相对自由空间特征阻抗，令zi＝377/cosθ，θ代表第i层介质平板结构的电磁波的斜入射角度，t代表多层介质平板结构的透波传输系数，r代表多层介质平板结构的反射系数，上述步骤能够基于透波传输系数和反射系数在ads电子设计自动化软件中构建层级透波结构模型，优化了推导过程，有利于构建灵活的分析机制，有助于提高了分析多层透波结构的分析效率和分析精确度。
[0066]
如图2所示，根据本技术实施例的多层透波结构的确定方法中构建多层透波结构模型的结构示意图；上述步骤s10，根据多层介质平板结构所产生的透波传输系数和反射系数，分别构建三层传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型、第二层透波结构模型、第三层透波结构模型，具体包括：
[0067]
步骤101，根据第一层介质平板的透波传输系数，构建第一层透波结构模型。
[0068]
步骤102，在第一层透波结构模型的基础上，再根据反射系数和第二层介质平板的厚度参数，构建第二透波结构模型。
[0069]
步骤103，在基于第二透波结构模型的基础上，根据天线电磁波当前簇首节点的透波变量和第三层介质平板的厚度参数，构建第三层透波结构模型。
[0070]
步骤101、102、103在具体实施时，利用ads电子设计自动化软件，根据第一层介质平板的透波传输系数，构建三层传输线等效电路模型中的第一层透波结构模型，上述透波传输系数包含厚度参数、传播常数、介电常数和磁导率，在建立好的第一层透波结构模型的基础上与反射系数第二层介质平板的厚度参数进行绑定处理，得到三层传输线等效电路模型中的第二透波结构模型，在根据建立好的第二透波结构模型的基础上与天线电磁波当前簇首节点的透波变量和第三层介质平板的厚度参数行绑定处理，得到三层传输线等效电路模型中的第三层透波结构模型，其中，在建立好的第一层透波结构模型的基础上，当电磁波基于垂直极化状态时，反射系数的设置范围在大于0
°
至小于90
°
之间，当电磁波基于水平极化状态时，反射系数的设置范围在大于0
°
至小于90
°
之间，上述步骤利用等效传输线理论对多层介质平板结构所产生的透波传输系数和反射系数构建三层传输线等效电路模型中，省
去基于多种算法复杂繁琐的理论推导过程。
[0071]
例如本实施例还可以依次在根据建立好的第三透波结构模型的基础上与天线电磁波当前簇首节点的透波变量和第四层介质平板的厚度参数行绑定处理，得到第四层透波结构模型，在根据建立好的第四透波结构模型的基础上与天线电磁波当前簇首节点的透波变量和第五层介质平板的厚度参数行绑定处理，得到第五层透波结构模型，再根据建立好的第五透波结构模型的基础上与天线电磁波当前簇首节点的透波变量和第六层介质平板的厚度参数行绑定处理，得到第六层透波结构模型，以此循环方式构建多层透波结构模型，直至达到叠加设计需求。
[0072]
在本技术实施例中，上述步骤s20，根据电磁性能设计目标，在三层传输线等效电路模型中设置目标函数、射频范围、斜入射角度范围及各层需优化的电介质性能指标；各层需优化的电介质性能指标包括介电常数和厚度参数，具体包括：
[0073]
步骤201，根据电磁性能设计目标，在三层传输线等效电路模型中设置目标函数、射频范围、斜入射角度范围，以及结合实际介质材料制备要求在第一层透波结构模型、第二层透波结构模型和第三层透波结构模型中设置各层需优化的介电常数和厚度参数。
[0074]
步骤201在具体实施时，利用ads中的目标控件在第一透波结构模型中设置目标函数、射频范围、斜入射角度范围和第一透波结构模型的介电常数和厚度参数，在设置三层透波结构模型的第一透波结构模型的基础上，在利用ads中的目标控件在第二透波结构模型中设置介电常数和厚度参数，在设置三层透波结构模型的第一透波结构模型和第二透波结构模型的基础上，再利用ads中的目标控件在第三透波结构模型中设置介电常数和厚度参数，分别得到设置后的第一透波结构模型、第二透波结构模型和第三透波结构模型，上述步骤分别在各层透波结构模型内设置对应的介电常数和厚度参数，通过层级透波结构可以推导出影响每一层雷达天线罩的透波特性的主要结构参数，大大提高天线罩透波结构的设计效率，为天线罩设计提供理论依据。
[0075]
如图3所示，根据本技术实施例的多层透波结构的确定方法中获得三层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数所表征的透波率曲线示意图；上述步骤s30，对三层传输线等效电路模型进行优化，获得满足射频范围、斜入射角度范围和目标函数的各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数，具体包括：
[0076]
步骤301，在第一层透波结构模的电介质性能指标保持不变的情况下，根据射频范围、斜入射角度范围对第二层透波结构模型进行参数修改，则基于修改后的第二层透波结构模型，对从属于该第二层透波结构模型的第三层透波结构模型进行参数修改。
[0077]
步骤302，若根据射频范围、斜入射角度范围对第三层透波结构模型进行参数修改，则第一层透波结构模型和第二层透波结构模型不作处理；
[0078]
步骤303，再利用优化算法分别计算修改后各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数。
[0079]
步骤301、302、303在具体实施时，按照电磁性能设计要求，在第一层透波结构模型的电介质性能指标保持不变的情况下，直接对三层传输线等效电路模型中第二透波结构模型设置的处于垂直极化状态或处于水平极化状态的斜入射角度范围及射频范围进行修改，基于修改后的第二层透波结构模型的斜入射角度输出，对从属于该第二层透波结构模型的第三透波结构模型斜入射角度输入进行参数修改，根据修改后的三层透波结构模型通过
ads中的优化控件计算修改后的第一透波结构模型、第二透波结构模型和第三透波结构模型的最优介电常数和厚度参数，如图3所示最优的斜入射角度为0
°
至45
°
；
[0080]
本实施例还可以在第一层透波结构模型和第二层透波结构模型的电介质性能指标保持不变的情况下，直接对三层传输线等效电路模型中第三透波结构模型处于垂直极化状态或处于水平极化状态下的斜入射角度和射频范围进行参数修改，并通过ads中的优化控件计算修改后的第一透波结构模型、第二透波结构模型和第三透波结构模型的最优介电常数和厚度参数，上述步骤节省了大量网格剖分以及高频算法结合低频算法混合的方式所需的计算时间，同时可根据层级的推导过程分析影响多层天线罩的透波特性的主要结构参数，提高计算速度和计算精度。
[0081]
如图4是根据本技术实施例的多层透波结构的确定方法中优化后的三层透波结构所表征的透波率曲线示意图，上述步骤s40，对最优介电常数和厚度参数进行微调优化，得到优化后的三层透波结构，具体包括：
[0082]
步骤401，利用三维电磁仿真模型，按照电磁性能设计要求和满足实际介质材料制备要求对各层透波结构模型的最优介电常数和厚度参数进行微调优化，得到优化后的最优介电参量值和厚度参量值。
[0083]
步骤402，根据优化后的最优介电参量值和厚度参量值，生成预测的三层透波结构。
[0084]
步骤401、402在具体实施时，根据三维电磁仿真模型，按照电磁性能设计要求和满足实际介质材料制备要求，对第一透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值进行微调优化，得到优化后的第一透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值；按照电磁性能设计要求和满足实际介质材料制备要求，对第二透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值进行微调优化，得到优化后的第二透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值，按照电磁性能设计要求和满足实际介质材料制备要求，对第三透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值进行微调优化，得到优化后的第三透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值，分别根据优化后的三透波结构模型的最优介电参量值和厚度参量值，生成预测的三层透波结构，即得到三层透波结构所表征的透波率曲线，上述三层透波结构对应的参数值如图4所示，上述步骤在综合了ads软件利用等效传输线法理论的快速优化计算的优点基础上，结合三维电磁仿真模型计算精度高的优点，提高了优化效率的同时，也确保了计算精度。
[0085]
表一示出了上述优化后的三层透波结构中包含的介电常数和厚度参数：
[0086][0087]
[0088]
表一
[0089]
根据本技术实施例的技术方案，通过灵活构建多层透波结构模型来分析多层透波结构的透波特性，有效地节省了复杂繁琐的理论推导，同时通过层级透波结构可以推导出影响每一层雷达天线罩的透波特性的主要结构透波变量，并且能够在保证高计算精确度的同时，提高计算效率。
[0090]
综上所述，以上仅为本技术的较佳实施例而已，并非用于限定本技术的保护范围。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。