一种有源频率选择表面分析方法及系统与流程

本发明涉及一种有源频率选择表面分析方法及系统，特别是涉及一种加载变容二极管的有源频率选择表面分析方法及系统，属于电磁场与微波。

背景技术：

1、天线罩采用频率选择表面(frequency selective surface,fss)技术，能在保障己方雷达信号正常收发的情况下，利用雷达罩的特殊外形减小后向的电磁能量散射，从而降低目标的雷达散射截面(radar cross section,rcs)，提高装备的隐身性能。近年来，随着作战电磁环境的复杂化和多样化，天线罩除满足上述基本功能外，还往往被要求透波通带和带外散射具备智能可控、可调性能。有源频率选择表面(active frequency selectivesurface,afss)的出现正好解决这一问题，它是在频率选择表面结构基础上加载变容二极管等集总元件的一种可调谐透波结构。通过控制变容二极管的偏置电压、电流，有源频率选择表面可以实现跳频工作、动态补偿等功能。

2、关于有源频率选择表面的理论分析和设计，大致有两种方法。一类是严格的全波分析方法，这种方法精度高，是各类商业软件的底层逻辑，但是计算量大，速度慢；另一类是近似法，例如等效电路模型法(equivalent circuit model，ecm)，多模等效网络法等，具有快速方便、物理意义明确等优点，是目前公开报道中经常采用的方法。利用传统的等效电路模型方法分析无源频率选择表面，一般是对其建立合理的等效电路模型，再通过曲线拟合等方法，获得对应的等效电路参数，从而对频率选择表面进行分析。对于加载变容二极管的有源频率选择表面，一般是在上述无源频率选择表面等效电路模型基础上引入变容二极管的电容值，考虑到整个等效电路模型的复杂性，通常不引入变容二极管的封装电感和封装电阻等参数。但实际上，变容二极管的封装电容、电感和电阻不可避免地会影响有源频率选择表面的传输/反射特性。

3、将变容二极管的封装电容、电感和电阻的等引入单元的等效模型中，会增加等效电路的复杂性，且变容二极管在微波频段下的电路参数与其典型参数之间存在一定偏差，这导致了变容二极管建模误差大、传统等效电路模型方法精确度不足的问题。同时，单元结构参数与其传输/反射特性情况之间的非线性关系使得单元设计的难度增大，耗时增多，不能实现快速、便捷的单元设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术不足之一，提供一种快速、便捷、准确性高的有源频率选择表面分析方法及系统。

2、本发明的技术解决方案：一种有源频率选择表面分析方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、构建有源频率选择表面等效电路模型，

4、s11、获得有源频率选择表面单元结构；

5、s12、根据步骤s11确定频率选择表面单元结构构建无源频率选择表面等效电路模型；

6、s13、构建步骤s11确定的加载的变容二极管的等效电路模型，获得包含可调电容、封装电阻、电感的变容二极管等效电路模型；

7、s14、将步骤s13构建的变容二极管等效电路模型加载在s12步骤确定的无源频率选择表面等效电路模型中，采用trl技术提取等效电路参数进行建模，获得有源频率选择表面等效电路模型；

8、s2、确定步骤s12构建的无源频率选择表面等效电路模型中等效电路参数与频率选择表面单元结构的结构参数之间的关系；

9、s3、确定步骤s1构建的有源频率选择表面等效电路模型中等效电路参数和传输/反射特性之间的关系，

10、

11、

12、其中，τ为传输系数，γ为反射系数，z0为自由空间波阻抗，a、b、c、d分别为矩阵的四个元素，矩阵为公式(5)的矩阵级联，

13、

14、其中，mres为频率选择表面谐振回路引入的谐振矩阵，m1为频率选择表面介质层引入的谐振矩阵；

15、

16、

17、其中，yres为频率选择表面谐振回路的电导纳，φ为频率选择表面介质层的插入相位，z1为介质层中的波阻抗，j表示虚数；

18、s4、利用步骤s2确定等效电路参数和结构参数之间的关系，与步骤s3中等效电路参数和传输/反射特性之间的关系进行关联，得到结构参数、等效电路参数和传输/反射特性三者之间的关系；

19、s5、利用步骤s4确定有源频率选择表面结构参数、等效电路参数、传输/反射特性之间三者之间关系，根据传输/反射性能需求进行有源频率选择表面单元设计。

20、一种实现任一所述有源频率选择表面分析方法的系统。

21、本发明与现有技术相比的有益效果：

22、(1)本发明通过对变容二极管的等效电路进行完整建模引入等效电路模型，提高了等效电路模型方法分析有源频率选择表面的可靠性和准确性，解决频率选择表面加载变容二极管后，传统近似分析方法精准性降低、分析不便捷，从而导致有源频率选择表面分析和设计复杂度增加的问题；

23、(2)本发明确定了结构参数、等效电路参数和传输/反射系数之间关系，获得结构参数与传输/反射响应情况之间的关联模型，得到高效的、可行的加载变容二极管的有源频率选择表面单元快速分析方法，极大地提升了加载变容二极管的有源频率选择表面分析方法准确度，同时整合了等效电路模型，提高了分析速度；

24、(3)本发明利用trl校准方法对变容二极管的等效电路进行完整建模，提取其在微波频段下的特性参数，整合了有源频率选择表面的结构参数、变容二极管的电参数和有源频率选择表面的传输/反射特性之间的关系，简化了加载变容二极管的有源频率选择表面的设计流程。

技术特征：

1.一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于：所述步骤s3中

3.根据权利要求1所述的一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于：所述步骤s11中有源频率选择表面单元结构包括频率选择表面单元结构和加载的电控变容二极管；

4.根据权利要求3所述的一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于：所述步骤s14中采用trl技术构建孔径型结构的有源频率选择表面等效电路模型，见公式(1)，

5.根据权利要求3所述的一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于：所述步骤s14中采用trl技术构建贴片型结构的有源频率选择表面等效电路模型，见公式(2)，

6.根据权利要求1所述的一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于：所述步骤s4中，步骤s2确定的等效电路参数和结构参数之间的关系中电容阻抗和电感阻抗与等效电路参数和传输/反射特性之间的关系中的电容和电感进行替换，从而使结构参数、等效电路参数和传输/反射特性三者之间关联。

7.根据权利要求1所述的一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于：所述步骤s5中，通过迭代设计有源频率选择表面结构参数、等效电路参数获得满足传输/反射性能的有源频率选择表面单元。

8.根据权利要求7所述的一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于：所述步骤s5中，基于粒子群优化算法的曲线拟合方法，对等效电路模型进行优化和校准。

9.根据权利要求8所述的一种有源频率选择表面分析方法，其特征在于：所述步骤s5中，引入拟合过程是通过优化目标函数fit，fit表示为，

10.一种实现权利要求1-9任一所述有源频率选择表面分析方法的系统。

技术总结
本发明提出一种有源频率选择表面分析方法及系统，通过构建有源频率选择表面等效电路模型、确定等效电路参数与结构参数之间的关系、确定等效电路参数和传输/反射特性之间的关系、确定结构参数、等效电路参数和传输/反射特性三者之间的关系、根据传输/反射性能需求进行有源频率选择表面单元设计。本发明通过对变容二极管的等效电路进行完整建模引入等效电路模型，提高了等效电路模型方法分析有源频率选择表面的可靠性和准确性，解决频率选择表面加载变容二极管后，传统近似分析方法精准性降低、分析不便捷，从而导致有源频率选择表面分析和设计复杂度增加的问题。

技术研发人员：王瑞,陈志新,丁霄,徐阳,戴全辉
受保护的技术使用者：北京机电工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17