張志遠(yuǎn)

(91404部隊 秦皇島 066000)

基于FEKO的人工電磁材料吸波體分析

張志遠(yuǎn)

(91404部隊 秦皇島 066000)

利用FEKO軟件設(shè)計優(yōu)化了超薄人工電磁材料吸波體單元。采用FEKO的MLFMM算法和MOM算法分別計算有限大人工電磁材料吸波體、同尺寸金屬平板的雙站RCS,驗證了MLFMM算法的精度。仿真結(jié)果表明,單元設(shè)計吸收率與有限大人工電磁材料吸波體RCS相符。

FEKO; MLFMM; 人工電磁材料; 吸波RCS

Class Number O451

1 引言

人工電磁材料是指具有自然媒質(zhì)不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合媒質(zhì)[1]。從2000年至今,新型人工電磁材料這一領(lǐng)域得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,得到了電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、納米科學(xué)等諸多學(xué)科的關(guān)注[2～5]。人工電磁材料的研究最早開始于微波頻段,目前也是最成熟的領(lǐng)域。其中,新型人工電磁材料在隱身技術(shù)中的應(yīng)用研究是目前微波頻段的重要方向之一[6～7]。

傳統(tǒng)的吸波材料大多是基于Salisbury吸波體[8],它是將損耗電阻片置于距離接地基體中心頻率的1/4波長處位置,使反射電磁波相互干涉從而吸收電磁波,是一種窄帶型吸波材料。寬帶吸波材料如Jauman吸收體因其厚度較大限制了實際應(yīng)用。本文設(shè)計的是高阻抗表面構(gòu)成的吸波體,由容性的金屬構(gòu)成的損耗頻率選擇表面構(gòu)成,其工作原理可由傳輸線理論解釋。吸波體的厚度遠(yuǎn)小于工作波長,是一種超薄型吸波材料。其主要應(yīng)用的場合為隱身偽裝,用來調(diào)控假目標(biāo)的電磁散射參數(shù)。

由于人工電磁材料吸波體為周期性結(jié)構(gòu),周期單元結(jié)構(gòu)精細(xì),通常采用周期性邊界條件仿真計算。但實際所有的人工電磁材料吸波體都是有限大的。目前有限大精細(xì)結(jié)構(gòu)電大尺寸目標(biāo)散射計算通常采用高頻近似法粗略估計[9]。要獲得精確可靠的分析需要全波數(shù)值法,很多軟件無能為力,FEKO軟件采用了精確高效的多層快速多極子算法(MLFMM)。假設(shè)模型的未知量為N,傳統(tǒng)的矩量法(MOM)所需內(nèi)存為O(N2),MLFMM內(nèi)存則降低至O(NlgN)。MLFMM算法極大地降低了硬件資源要求,因此FEKO的MLFMM算法適合精確仿真計算本文的模型[10]。另外,FEKO7.0版本推出的PO+MLFMM算法更是解決此類問題的首選。

2 模型單元設(shè)計

由于實際電磁問題工作在毫米波段,對吸波體提出如下要求：

吸收：-1.5dB

角度范圍：±45°

頻率：94GHz

極化：任意

厚度：≤0.2mm

圖1 吸波體單元圖

根據(jù)上述要求利用CADFEKO設(shè)計了超薄吸波體單元如圖1。上層金屬結(jié)構(gòu)是正方形貼片的電諧振結(jié)構(gòu),由于結(jié)構(gòu)的對稱性,可以使任意極化方向入射的電磁波都可產(chǎn)生諧振。中間層介質(zhì)為FR4,介電常數(shù)4.9,電損耗正切0.025,介質(zhì)厚度0.1mm。下層為金屬地平面。周期為0.78mm,正方形貼片邊長為0.56mm。

3 模型仿真計算

3.1 吸波單元仿真計算

由于吸波單元模型很小,故采用FEKO的MOM算法。模型采用周期性邊界來模擬無限周期單元,在上下表面10倍波長處計算近場。用TE和TM極化平面波入射,入射波隨入射角變化對吸波性能影響如圖2,圖中縱坐標(biāo)為反射場,橫坐標(biāo)為入射波頻率。由圖可知,在94GHz處,不同極化入射角在0°～50°變化范圍內(nèi)對電磁波的保持穩(wěn)定的吸收-1.5dB。整體結(jié)構(gòu)的厚度約0.03λ,達(dá)到了要求的設(shè)計性能。

圖2 不同極化時反射電場隨入射角的變化圖

3.2 有限大人工電磁材料吸波體與金屬板RCS計算對比

在CADFEKO中利用copy special將上文中的吸波單元組成40×40的陣列,如圖3。整個陣列的尺寸為32mm×32mm,設(shè)計為11倍的λ。同時也對相同大小的理想金屬面進(jìn)行了計算。入射波為94GHz的TE和TM極化平面波,入射角度俯仰方向為0°～50°,水平為0°。求解的區(qū)域為遠(yuǎn)場全角域。采用FEKO的默認(rèn)參數(shù)mesh,得到的三角形個數(shù)為59914。因此本文采用了FEKO的MLFMM算法提高計算效率,同時也與MOM算法的計算精度做了對比,0°入射和40°入射的雙站RCS仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 吸波體的陣列

由圖4可知, 相對理想金屬板,人工電磁材料吸波體在0°和40°的后向RCS分別降低了2.6dB和4dB。雙站RCS也有顯著下降。

圖4 吸波體和金屬板在不同入射角的RCS 對比

3.3 有限大人工電磁材料吸波體RCS算法對比

為了進(jìn)一步考證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文對吸波體陣列采用MOM算法進(jìn)行了計算。結(jié)果如圖5所示,可見MOM算法與MLFMM算法的計算結(jié)果非常接近,最大相差僅為0.05dB。計算平臺：四臺曙光天闊I620-G10集群：CPU：2.6GHz Intel?Xeon?E5-2650 V2處理器,內(nèi)存256GB；操作系統(tǒng)：Windows Server 2008 R2。二者計算需求內(nèi)存以及計算時間見表1。計算三角形個數(shù)為59914的模型,MLFMM算法是MOM算法用時的10.4%,內(nèi)存需求的5.2%。因此FEKO的MLFMM算法是一種高效精確的算法。

圖5 MLFMM算法MOM算法RCS對比

算法內(nèi)存需求(GB)計算用時(hours)MOM211．0317．354MLFMM11．0390．762

4 結(jié)語

本文利用FEKO軟件設(shè)計了一種毫米波人工電磁材料吸波體陣列,相比現(xiàn)有吸波材料,它具有極化穩(wěn)定、寬入射角、超薄等優(yōu)點。在計算過程中,使用MLFMM算法計算料吸波陣列,大大減小了計算過程中計算機(jī)資源占用量,提升了計算效率。從而在有限的硬件資源下,對精細(xì)單元的大規(guī)模陣列進(jìn)行有效分析,并用MOM算法驗證了該算法的有效性。

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Analysis of the Metamaterial Absorber Based on FEKO

ZHANG Zhiyuan

(No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao 066000)

An ultra-thin metamaterial absorber is designed and optimized by FEKO software. The bistatic RCS of Metamaterial absorber and planar metal is calculated based on the analysis to arithmetic of MLFMM and MOM, which verifies the accuracy of MLFMM. The simulation results indicate that the absorption of unit cells and the RCS of finite metamaterial absorber are in good agreement.

FEKO, MLFMM, metamaterials, Absorber, RCS

2016年7月6日,

2016年8月13日

張志遠(yuǎn),男,碩士,工程師,研究方向:電磁散射仿真與測試、隱身材料設(shè)計。

O451

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.037