一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构及其构建方法.pdf

一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构及其构建方法，本发明涉及一种在特定频带内可加强电磁波传播的电磁硬表面结构及其构建方法，属于微波技术领域。该电磁硬表面结构由磁性介质层和相距宽度为g的矩形金属贴片沿磁性介质层长边方向依次排列组成的金属贴片层构成。磁性介质层完全覆盖金属贴片层底部，厚度为d，宽度为l，长度为h；金属贴片宽度为w，长度为l；exp(4πd/(w+d))＞1，g/w＜0.2，(w+g)/λ0＜0.25，λ0＝c/f0，l＝2π(r+d)，h＝n×(w+g)-g，n≥4，n为正整数，λ0为自由空间中入射波的工作波长，c为自由空间中光速，f0为自由空间中入射波的工作频率。所述电磁硬表面结构应用时加载于金属圆柱体侧表面。本发明可直接应用于减小金属圆柱体对电磁波的前向散射。

权利要求书1.  一种金属圆柱体的电磁硬表面结构，由金属贴片层，磁性介质层构成；磁性 介质层完全覆盖金属贴片层底部，厚度为d，宽度为l，长度为h；金属贴片层 由相距宽度为g的矩形金属贴片沿磁性介质层长边方向依次排列组成，金属贴 片宽度为w，长度为l，其材料为高电导率金属,所述电磁硬表面应用时沿金属 贴片层宽边方向环绕加载于金属圆柱体侧表面，金属圆柱体的高度为h，半径为 r； g/w＜0.2，(w+g)/λ0＜0.25，λ0＝c/f0，l＝2π(r+d)， h＝n×(w+g)±g，n≥4，n为正整数，λ0为自由空间中入射波的工作波长， c为自由空间中光速，f0为自由空间中入射波的工作频率。 2.  如权利要求1所述应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构，其特征在于：所述 磁性介质层所用磁性材料的磁导率大于1。 3.  如权利要求1所述应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构的构建方法： 步骤一：在Ansoft-HFSS中建立一个平面型电磁硬表面单元模型，该模型由 三部分构成，自上而下依次是金属贴片层，磁性介质层，地层即金属圆柱体； 金属贴片层与地层均设为理想电导体，在建立的电磁硬表面单元模型上构建一 个尺寸同其贴合的长方体空气盒子，电磁硬表面单元模型位于空气盒子的中心， 空气盒子高度是磁性介质层的16倍，在空气盒的顶端设置Floquet Port端口， 边界条件设置为主从边界条件Master/Slave，仿真平面波反射相位随着频率的 变化关系，扫描优化得到反射相位在零度时所对应频率位于中心频率附近范围 的平面型电磁硬表面结构参数尺寸； 步骤二：将步骤一针对中心频率优化所得的平面型电磁硬表面结构参数尺寸 应用到环形电磁硬表面中，在FEKO中建立金属圆柱加载电磁硬表面的模型，在 中心频率范围内仿真该模型的单站雷达散射截面RCS，由于电磁硬表面加载于金 属圆柱体表面，所以电磁硬表面不需要地层部分，该模型由三部分构成，自内 而外依次是金属圆柱体，磁性介质层，金属贴片层；金属圆柱与金属贴片层中 的所有金属贴片均为理想导体； 步骤三：在FEKO中建立步骤二中未加载硬表面的金属圆柱体模型，金属圆 柱体为理想导体，计算步骤一确定的中心频率范围内该模型的单站RCS； 步骤四：依据步骤一至三得到的各个参数设计制备电磁硬表面结构。

说明书一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构及其构建方法
技术领域
本发明涉及一种在特定频带内可减小金属圆柱电磁散射的电磁硬表面结 构及其构建方法，属于微波技术领域。
背景技术
金属圆柱是电磁散射问题的典型体，研究其电磁散射特性可推动复杂目标 散射特性研究。金属圆柱靠近天线，基于“Babinet”原理其散射可看作一种缝 隙散射，引起天线副瓣增加，增益减小，例如在卡塞格伦天线中由于馈源金属 圆柱支架的存在，导致其电性能退化明显。在微波暗室中，圆柱形的金属支架 具有泡沫支架所不具备的高强度，得到广泛应用，然而其散射特性影响测试精 度。为了减小金属圆柱体对电磁波的散射，研究人员提出了许多不同的方法。 其中广泛采用超材料隐身罩，即通过对材料和结构的设计使电磁波在超材料罩 中绕行从而减小前向散射。然而，该方法设计非常复杂，超材料隐身罩一般较 为笨重，成本很高，且带宽也很窄，不适应于实际应用。
电磁硬表面结构具有加强特定方向电磁波传播的性质，可应用于减小金属 圆柱体对电磁波的散射。相对于超材料隐身罩结构，其设计简单，成本低，且 带宽较宽。目前电磁硬表面的研究主要关注两方面：一是硬表面带宽的展宽， 二是小型化技术。前期研究中，Per-Simon Kildal提出利用硬表面减小金属柱 体散射，并给出一种电磁硬表面设计方法。例如在中心频率为4.2GHz时根据其 设计公式得到的硬表面厚度约为9.41mm，相对带宽约为14.3％。但该方法所得 电磁硬表面结构在应用于较低频率时，厚度较厚且质量重，不适于实际应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题或不足，提出一种金属圆柱体的电磁硬表 面结构。
该电磁硬表面结构由金属贴片层，磁性介质层构成；磁性介质层完全覆盖 金属贴片层底部，厚度为d，宽度为l，长度为h；金属贴片层由相距宽度为g 的矩形金属贴片沿磁性介质层长边方向依次排列组成，金属贴片宽度为w，长 度为l，其材料为高电导率金属,所述电磁硬表面应用时沿金属贴片层宽边方向 环绕加载于金属圆柱体侧表面，金属圆柱体的高度为h，半径为r，
g/w＜0.2，(w+g)/λ0＜0.25，λ0＝c/f0，l＝2π(r+d)， h＝n×(w+g)±g，n≥4，n为正整数，λ0为自由空间中入射波的工作波 长，c为自由空间中光速，f0为自由空间中入射波的工作频率。
磁性介质层所用磁性材料的磁导率大于1。
其构建方法为：
步骤一：在Ansoft-HFSS中建立一个平面型电磁硬表面单元模型，该模型由 三部分构成，自上而下依次是金属贴片层，磁性介质层，地层即金属圆柱体； 金属贴片层与地层均设为理想电导体，在建立的电磁硬表面单元模型上构建一 个尺寸同其贴合的长方体空气盒子，电磁硬表面单元模型位于空气盒子的中心， 空气盒子高度是磁性介质层的16倍，在空气盒的顶端设置Floquet Port端口， 边界条件设置为主从边界条件Master/Slave，仿真平面波反射相位随着频率的 变化关系，扫描优化得到反射相位在零度时所对应频率位于中心频率附近范围 的平面型电磁硬表面结构参数尺寸；
步骤二：将步骤一针对中心频率优化所得的平面型电磁硬表面结构参数尺寸 应用到环形电磁硬表面中，在FEKO中建立金属圆柱加载电磁硬表面的模型，在 中心频率范围内仿真该模型的单站雷达散射截面RCS，由于电磁硬表面加载于金 属圆柱体表面，所以电磁硬表面不需要地层部分，该模型由三部分构成，自内 而外依次是金属圆柱体，磁性介质层，金属贴片层；金属圆柱与金属贴片层中 的所有金属贴片均为理想导体；
步骤三：在FEKO中建立步骤二中未加载硬表面的金属圆柱体模型，金属圆 柱体为理想导体，计算步骤一确定的中心频率范围内该模型的单站RCS；
步骤四：依据步骤一至三得到的各个参数设计制备电磁硬表面结构。
本发明所设计电磁硬表面结构特点为：将相距非常近的金属贴片加载于接 地的磁性材料上，在特定频率该结构具备高阻抗特性进而构成电磁硬表面。而 Per-Simon Kildal等提出的电磁硬表面结构则仅通过一定厚度的非磁性介质来 实现高阻抗特性进而构造电磁硬表面。同其相比，对于同一中心频率特别是低 频应用时，例如4.2GHz时，本发明的电磁硬表面厚度为2mm，带宽约为22.2％， 而Per-Simon Kildal等提出的电磁硬表面结构厚度为9.41mm，带宽约为14.3％。
综上所述本发明与现有的技术相比具有以下优点：
1、本发明中的电磁硬表面结构较现有电磁硬表面结构而言，带宽更宽；
2、该电磁硬表面在应用于减少金属圆柱体电磁散射时厚度大幅度减小。
附图说明
图1是本发明平面型电磁硬表面俯视平面示意图，单位(mm)；
图2是本发明平面型电磁硬表面单元仿真模型俯视平面示意图；
图3是本发明平面型电磁硬表面单元仿真模型侧视图；
图4是本发明平面型电磁硬表面入射波反射相位的HFSS仿真结果示意图；
图5是加载电磁硬表面的金属圆柱体俯视图，单位(mm)；
图6是加载电磁硬表面的金属圆柱体模型示意图，单位(mm)；
图7是未加载电磁硬表面与加载电磁硬表面的金属圆柱体单站RCS计算结 果对比示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
如图6，本发明是由一个电磁硬表面单元沿一个方向在金属圆柱体上周期 延拓形成的13×1电磁硬表面结构。每个电磁硬表面单元由三部分构成，如图5， 自内而外依次是金属圆柱体，磁性介质层，金属贴片层。金属圆柱体，金属贴 片均为良导体，金属圆柱体半径r＝12mm，高度h＝94mm，金属贴片宽度w＝6.8 mm，贴片之间缝隙宽度g＝0.4mm。磁性介质层厚度为d＝2mm，其介电常数 为4.6，磁导率为1.8。
本发明一种电磁硬表面结构的构建方法，具体实施步骤如下。
步骤一：在Ansoft-HFSS中建立一个平面型电磁硬表面单元模型，该模型 由三部分构成，自上而下依次是金属贴片层，磁性介质层，地层，如图2，图3 所示。金属贴片层与地层均设为理想电导体平面，金属贴片尺寸为6.8×7.2mm2， 地层尺寸为7.2×7.2mm2。磁性介质层是尺寸为7.2×7.2×2mm3的矩形块，材 料介电常数为4.6，磁导率为1.8。在建立的电磁硬表面单元模型上构建一个尺 寸同其贴合的长方体空气盒子，高度是磁性介质层的16倍，电磁硬表面单元位 于空气盒子中心。在空气盒的顶端设置Floquet Port端口，边界条件设置为主从 边界条件Master/Slave，以驱动模(Driven Model)在2-14GHz仿真平面波反射 相位随着频率的变化关系，扫描优化得到反射相位在零度时所对应频率位于中 心频率附近范围的平面型电磁硬表面结构参数尺寸，结果如图4所示，得到反 射相位为零时对应的频率约为4.2GHz。本发明中对应此频率的电磁硬表面厚度 仅为2mm，而Per-Simon Kildal等提出的电磁硬表面结构在4.2GHz时所需厚 度为9.41mm。
步骤二：将步骤一针对中心频率优化所得的平面型电磁硬表面结构参数尺 寸应用到环形电磁硬表面中，在FEKO中建立金属圆柱加载电磁硬表面的物理 模型，如图5和图6所示。使用矩量法(MoM)计算在频率范围2.5GHz到6GHz 内该模型的单站雷达散射截面RCS。该模型由三部分构成，自内而外依次是金 属圆柱体，磁性介质层，金属贴片层。金属圆柱体，金属贴片层中的所有金属 贴片均为理想导体，金属圆柱体半径r＝12mm，高度h＝94mm，金属贴片宽度 w＝6.8mm，贴片之间缝隙宽度g＝0.4mm。磁性介质层厚度为d＝2mm，其介 电常数为4.6，磁导率为1.8。单站RCS仿真结果如图7所示。
步骤三：在FEKO中建立步骤二中未加载硬表面的金属圆柱体模型，金属 圆柱体为理想导体，尺寸与步骤二相同，使用矩量法计算2.5GHz-6GHz范围内 其单站RCS，结果如图7所示。由图可知，在中心频率4.2GHz附近范围加载电 磁硬表面后的金属圆柱体散射明显减小，相对带宽为22.2％。而Per-Simon Kildal等提出的电磁硬表面结构的相对带宽为14.3％。
本发明的电磁硬表面结构相比较Per-Simon Kildal提出的电磁硬表面结 构在应用于减小金属圆柱体散射时，厚度更薄，带宽增加。