基于FEKO的人工电磁材料吸波体分析

张志远

(91404部队 秦皇岛 066000)

基于FEKO的人工电磁材料吸波体分析

张志远

(91404部队 秦皇岛 066000)

利用FEKO软件设计优化了超薄人工电磁材料吸波体单元。采用FEKO的MLFMM算法和MOM算法分别计算有限大人工电磁材料吸波体、同尺寸金属平板的双站RCS,验证了MLFMM算法的精度。仿真结果表明,单元设计吸收率与有限大人工电磁材料吸波体RCS相符。

FEKO; MLFMM; 人工电磁材料; 吸波RCS

Class Number O451

1 引言

人工电磁材料是指具有自然媒质不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质[1]。从2000年至今,新型人工电磁材料这一领域得到了突飞猛进的发展,得到了电磁学、光学、声学、纳米科学等诸多学科的关注[2～5]。人工电磁材料的研究最早开始于微波频段,目前也是最成熟的领域。其中,新型人工电磁材料在隐身技术中的应用研究是目前微波频段的重要方向之一[6～7]。

传统的吸波材料大多是基于Salisbury吸波体[8],它是将损耗电阻片置于距离接地基体中心频率的1/4波长处位置,使反射电磁波相互干涉从而吸收电磁波,是一种窄带型吸波材料。宽带吸波材料如Jauman吸收体因其厚度较大限制了实际应用。本文设计的是高阻抗表面构成的吸波体,由容性的金属构成的损耗频率选择表面构成,其工作原理可由传输线理论解释。吸波体的厚度远小于工作波长,是一种超薄型吸波材料。其主要应用的场合为隐身伪装,用来调控假目标的电磁散射参数。

由于人工电磁材料吸波体为周期性结构,周期单元结构精细,通常采用周期性边界条件仿真计算。但实际所有的人工电磁材料吸波体都是有限大的。目前有限大精细结构电大尺寸目标散射计算通常采用高频近似法粗略估计[9]。要获得精确可靠的分析需要全波数值法,很多软件无能为力,FEKO软件采用了精确高效的多层快速多极子算法(MLFMM)。假设模型的未知量为N,传统的矩量法(MOM)所需内存为O(N2),MLFMM内存则降低至O(NlgN)。MLFMM算法极大地降低了硬件资源要求,因此FEKO的MLFMM算法适合精确仿真计算本文的模型[10]。另外,FEKO7.0版本推出的PO+MLFMM算法更是解决此类问题的首选。

2 模型单元设计

由于实际电磁问题工作在毫米波段,对吸波体提出如下要求：

吸收：-1.5dB

角度范围：±45°

频率：94GHz

极化：任意

厚度：≤0.2mm

图1 吸波体单元图

根据上述要求利用CADFEKO设计了超薄吸波体单元如图1。上层金属结构是正方形贴片的电谐振结构,由于结构的对称性,可以使任意极化方向入射的电磁波都可产生谐振。中间层介质为FR4,介电常数4.9,电损耗正切0.025,介质厚度0.1mm。下层为金属地平面。周期为0.78mm,正方形贴片边长为0.56mm。

3 模型仿真计算

3.1 吸波单元仿真计算

由于吸波单元模型很小,故采用FEKO的MOM算法。模型采用周期性边界来模拟无限周期单元,在上下表面10倍波长处计算近场。用TE和TM极化平面波入射,入射波随入射角变化对吸波性能影响如图2,图中纵坐标为反射场,横坐标为入射波频率。由图可知,在94GHz处,不同极化入射角在0°～50°变化范围内对电磁波的保持稳定的吸收-1.5dB。整体结构的厚度约0.03λ,达到了要求的设计性能。

图2 不同极化时反射电场随入射角的变化图

3.2 有限大人工电磁材料吸波体与金属板RCS计算对比

在CADFEKO中利用copy special将上文中的吸波单元组成40×40的阵列,如图3。整个阵列的尺寸为32mm×32mm,设计为11倍的λ。同时也对相同大小的理想金属面进行了计算。入射波为94GHz的TE和TM极化平面波,入射角度俯仰方向为0°～50°,水平为0°。求解的区域为远场全角域。采用FEKO的默认参数mesh,得到的三角形个数为59914。因此本文采用了FEKO的MLFMM算法提高计算效率,同时也与MOM算法的计算精度做了对比,0°入射和40°入射的双站RCS仿真结果如图4所示。

图3 吸波体的阵列

由图4可知, 相对理想金属板,人工电磁材料吸波体在0°和40°的后向RCS分别降低了2.6dB和4dB。双站RCS也有显著下降。

图4 吸波体和金属板在不同入射角的RCS 对比

3.3 有限大人工电磁材料吸波体RCS算法对比

为了进一步考证计算结果的准确性,本文对吸波体阵列采用MOM算法进行了计算。结果如图5所示,可见MOM算法与MLFMM算法的计算结果非常接近,最大相差仅为0.05dB。计算平台：四台曙光天阔I620-G10集群：CPU：2.6GHz Intel®Xeon®E5-2650 V2处理器,内存256GB；操作系统：Windows Server 2008 R2。二者计算需求内存以及计算时间见表1。计算三角形个数为59914的模型,MLFMM算法是MOM算法用时的10.4%,内存需求的5.2%。因此FEKO的MLFMM算法是一种高效精确的算法。

图5 MLFMM算法MOM算法RCS对比

算法内存需求(GB)计算用时(hours)MOM211．0317．354MLFMM11．0390．762

4 结语

本文利用FEKO软件设计了一种毫米波人工电磁材料吸波体阵列,相比现有吸波材料,它具有极化稳定、宽入射角、超薄等优点。在计算过程中,使用MLFMM算法计算料吸波阵列,大大减小了计算过程中计算机资源占用量,提升了计算效率。从而在有限的硬件资源下,对精细单元的大规模阵列进行有效分析,并用MOM算法验证了该算法的有效性。

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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

张志远,男,硕士,工程师,研究方向:电磁散射仿真与测试、隐身材料设计。

O451

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.037