[發明專利]一種等離子體材料設計方法

有效

• 申請號: 201710942515.7
• 申請日: 2017-10-11
• 公開（公告）號: CN107644140B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 許勇剛;梁子長;陳方園;何鴻飛;郭良帥
• 申請（專利權）人: 上海無線電設備研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/27
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 朱成之

1.一種等離子體材料設計方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟S1、采用日光燈管作為等離子體發生器，模擬圓柱體等離子體材料，獲取圓柱體等離子體材料的電磁參數；

步驟S2、采用圓柱體等離子體材料來構造單層等離子體材料層，根據圓柱體等離子體材料的傳輸反射特性計算等效介電常數，繼而獲取單層等離子體材料層等效結構的復數磁導率和復數介電常數；

步驟S3、采用遺傳算法對不同電子密度的單層等離子體材料層進行優化設計，獲得最終的寬帶高吸收率等離子體多層分布結構；

在步驟S1中，采用電磁波沿平行于圓柱體界面方向垂直入射到非磁化均勻等離子體中的傳輸模型，等離子體相對介電常數為：

其中，ω＝2πf，f為電磁波頻率，υ_en＝2πf_en，f_en為等離子體中電子與中性氣體分子的碰撞頻率，為等離子體角頻率，n_e為等離子體電子密度，e為電子電量(-1.6×10^-19庫侖)，m_e為電子質量(9.11×10^-31kg)，ε₀＝8.85×10^-12F/m為真空介電常數；

在步驟S1中，所述的等離子體發生器采用低壓放電方式，日光燈管的額定功率為25W，內徑為15.6mm，電子鎮流器額定功率為30W，升高電壓的鐵芯材料采用鐵氧體，燈管的電子密度值主要在1×10¹⁴-1×10¹⁶m^-3范圍內。

2.如權利要求1所述的等離子體材料設計方法，其特征在于，在步驟S2中，所述的計算等效介電常數的方法包含：

在CST三維電磁場仿真軟件中進行材料的傳輸反射特性仿真，首先建立等離子圓柱模型，然后設置對應的電磁參數、頻率、以及周期邊界條件，接著劃分網格生成有限元模型，最后利用時域有限積分方法進行求解，得到等效混合物材料的反射參數S₁₁和透射參數S₂₁；

根據反射參數和透射參數，利用NRW算法計算得到單層等離子體材料層等效結構的復數磁導率和復數介電常數。

3.如權利要求2所述的等離子體材料設計方法，其特征在于，在步驟S3中，所述的等離子體多層分布結構為結構梯度分布。

4.如權利要求3所述的等離子體材料設計方法，其特征在于，在步驟S3中，所述的等離子體多層分布結構的結構參數包含：各層材料的組分、厚度、介電常數和磁導率，組分包含日光燈管的電子密度和對應的功率；

第n層的表面阻抗Z_inn表示如下：

Z_in1＝Z₁th(γ₁d₁) (12)

其中，第n層材料的特征阻抗為ε_n和μ_n為第n層材料的電磁參數，第n層材料的傳播常數d_n為厚度，C是光在真空中的速度，第n層材料的反射率RL表示如下：

RL＝20lg|(Z_inn-Z₀)/(Z_inn+Z₀)| (13)。

5.如權利要求4所述的等離子體材料設計方法，其特征在于，在步驟S3中，所述的采用遺傳算法對不同電子密度的單層等離子體材料層進行優化設計的方法包含：

選取優化頻帶為1-8GHz，優化目標函數為反射率，反射率要求小于-10dB；基于測試的不同電子密度的單層等離子體材料層所構建的電磁參數庫，通過插值計算得到有限功率中任何功率值的等離子體材料的電磁參數；優化變量為各層單層等離子體材料層的功率、厚度或占空比；

選擇每層等離子體材料層的功率、厚度和占空比，建立遺傳算法的染色體，材料厚度用A_i表示，功率用B_i表示，占空比用C_i表示，第i層材料的染色體序列為A_iB_iC_i，總層染色體表示為類似A₁B₁C₁A₂B₂C₂···A_mB_mC_m；

當每層等離子體材料層的分布結構一致時，則占空比一致，此時只選取功率和厚度兩個要素進行優化；

當每層等離子體材料層的功率一致時，這時只選取厚度和占空比兩個要素進行優化；

在優化過程中，創建了含有800條染色體的隨機群體，然后進行選擇操作，交叉操作和編譯操作，通過生成次數達到20次后選取最優的反射率，判斷準則為在1-8GHz范圍內反射率低于-10～-25dB頻帶最寬，同時當頻帶均為1-8GHz時候材料的總厚度最小。