一种等离子体材料设计方法技术

一种等离子体材料设计方法，采用日光灯管作为等离子体发生器，模拟圆柱体等离子体材料，获取圆柱体等离子体材料的电磁参数，采用圆柱体等离子体材料来构造单层等离子体材料层，根据圆柱体等离子体材料的传输反射特性计算等效介电常数，继而获取单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数，采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计，获得最终的宽带高吸收率等离子体多层分布结构。本发明专利技术提高了等离子体材料对电磁波的吸收并降低反射，能够降低目标的电磁散射以及背景与目标之间电磁耦合，降低背景对目标测试的影响，制备成本低，应用效果好。

A design method for plasma materials

A plasma material design method, using fluorescent lamp as plasma generator, simulation of plasma cylinder material, electromagnetic parameters of materials by plasma cylinder, cylinder plasma material to construct single plasma material layer, the calculation of equivalent dielectric constant according to the transmission reflection characteristics of cylindrical plasma materials, then obtain single plasma material layer equivalent structure complex the complex permeability and permittivity, using genetic algorithm to optimize the design of single layer of different material plasma electron density, the high absorption rate of plasma broadband multilayer distributed structure. The invention improves the absorption and reduction of the electromagnetic wave by plasma material, reduces the electromagnetic scattering of the target and the electromagnetic coupling between the background and the target, reduces the influence of the background on the target test, and has low preparation cost and good application effect.

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体材料设计方法
本专利技术涉及复杂结构吸波与屏蔽材料的设计领域，尤其涉及一种等离子体材料设计方法。
技术介绍
随着电磁波技术的发展，目标的电磁散射特性测试对于目标的生存能力、定位判断至关重要，目前目标的雷达散射截面(radarcrosssection，RCS)是反映其性能特点的重要指标。随着低散射目标或隐身目标的测试需求日益增加，室内模拟测试对于目标的电磁散射特性评估越来越受到重视。例如宇宙飞船、航天飞机、高超声速飞行器作为一类特殊飞行器，其在再入大气层返回地球时，飞行速度极高，可达到音速的十几倍到几十倍，这使得飞行器前段形成了很强的激波。飞行器头部周围激波的压缩和大气的粘滞作用使得飞行器表面达到很高的温度，气体和被烧蚀的防热材料均发生电离，在飞行器周围形成一层高温等离子体鞘层。这种等离子体鞘层和电磁波将会发生相互作用，电磁波在传输过程中产生衰减，表现为目标的电磁散射会降低，容易导致地面与飞行器之间的通信严重失效，雷达探测目标特性难。因此，为模拟表面等离子体对目标电磁散射的影响，通常采用电磁仿真与实验室模拟测试来实现。如专利CN106604514A提供了一种排管及低温等离子体发生设备，采用介质阻挡放电技术来实现等离子体的发生，排管包括导电介质和绝缘介质，提供一种低温等离子体发生设备，然而这类等离子体发生装置通常用于处理废气材料，在目标表面生成等离子体材料层比较难，用于实验室测试也容易带来新的散射源。专利CN106686874A也公开了一种等离子介质阻挡放电电路，包括介质板和高压交流电源驱动电路；所述介质板的一侧表面设有高电压电极，所述介质板的另一侧表面设有接地电极；所述高电压电极与高压交流电源驱动电路的高压输出端连接，所述接地电极与高压交流电源驱动电路的接地端连接；所述高压交流电源驱动电路设有控制高压输出的脉宽调制模块。然而这类等离子体主要用于表面处理装置中，对于模拟目标表面的吸波材料还未涉及。专利CN106686876A公开了一种微波等离子体源和远程微波等离子体装置，包括微波等离子体源，微波等离子体源装入不同形式的真空室内，构成不同形式的远程微波等离子体装置，微波等离子体源由微波腔、产生等离子体的介质容器和产生微波的磁控管及其供电电源组成，这一类等离子体在目标表面模拟吸波层具有一定的可行性，但是目前应用还比较有限。文献“何湘,陈建平,倪晓武,等.雷达隐身等离子体参数优化设计[J].南京理工大学学报(自然科学版),2010,34(3):401-405.”针对等离子体对雷达波的吸收、衰减问题，采用求解波动方程的方法，计算了非均匀等离子体覆盖的金属目标对雷达波的反射。选取非均匀等离子体的最大电子数密度为5×1016～1018m-3，碰撞频率为10-1～103GHz,等离子体厚度为0～0.5m。研究结果表明：提高等离子体电子数密度能够增强对高频雷达波的隐身效果，但同时需合理提高碰撞频率以保证对低频雷达波的隐身能力；有效增加等离子体厚度，可降低对等离子体源电子数密度的要求几倍甚至数十倍。文献“宋黎浩.等离子体对电磁波吸收及反射的研究及应用[D].西安电子科技大学,2014.”针对非均匀分布等离子体和电磁波的作用展开研究,峰值电子密度和碰撞频率作为非均匀分布等离子的两个主要描述参数决定了非均匀分布等离子体对于电磁波的吸收和反射特性，研究了峰值电子密度和碰撞频率对非磁化等离子体中电磁波的吸收和反射的影响，分析了电磁波不同角度入射时吸收和反射特性规律，提出了对吸收和反射进行计算的方法，仿真了覆盖导体平板的等离子体对电磁波的吸收和反射，得出了等离子体峰值电子密度、碰撞频率与吸收和反射的关系。文献“李毅,张伟军,莫锦军,等.闭式等离子体隐身技术及等离子体参数的优化[J].微波学报,2008,24(1):23-25.”提出了一种等离子体隐身技术,即闭式等离子体隐身技术，从而解决了开放式的等离子体隐身技术的诸多问题。通过计算入射到覆盖闭式等离子体的金属平板上的电磁波的反射率，得出了在低温下，提高等离子体密度和温度，有利于更好的吸收电磁波结论。最后计算了未覆盖与覆盖闭式等离子体导体圆锥的雷达散射截面，结果表明采用闭式等离子隐身技术有很好的隐身效果。文献“LinMin,XuHaoJun,WeiXiaoLong,等.电磁波在非磁化等离子体中衰减效应的实验研究[J].ActaPhysicaSinica,2015,64(5):55201-055201.”开展垂直入射到具有金属衬底的非磁化等离子体中电磁波衰减特性的理论与实验研究。利用WKB方法对电磁波衰减随等离子体参数的变化规律进行了理论分析。利用射频电感耦合放电方式产生稳定的大面积等离子体材料层，搭建了等离子体反射率弓形测试系统，进行了电磁波在非磁化等离子体中衰减效应的实验研究。然而上述文献目前还集中在分析等离子体内部电磁波传输反射特性，对于如何提高和设计宽带高吸收率等离子还未涉及。
技术实现思路
本专利技术提供一种等离子体材料设计方法，提高了等离子体材料对电磁波的吸收并降低反射，能够降低目标的电磁散射以及背景与目标之间电磁耦合，降低背景对目标测试的影响，制备成本低，应用效果好。为了达到上述目的，本专利技术提供一种等离子体材料设计方法，包含以下步骤：步骤S1、采用日光灯管作为等离子体发生器，模拟圆柱体等离子体材料，获取圆柱体等离子体材料的电磁参数；步骤S2、采用圆柱体等离子体材料来构造单层等离子体材料层，根据圆柱体等离子体材料的传输反射特性计算等效介电常数，继而获取单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数；步骤S3、采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计，获得最终的宽带高吸收率等离子体多层分布结构。在步骤S1中，采用电磁波沿平行于圆柱体界面方向垂直入射到非磁化均匀等离子体中的传输模型，等离子体相对介电常数为：其中，ω＝2πf，f为电磁波频率，υen＝2πfen，fen为等离子体中电子与中性气体分子的碰撞频率，为等离子体角频率，ne为等离子体电子密度，e为电子电量(-1.6×10-19库仑)，me为电子质量(9.11×10-31kg)，ε0＝8.85×10-12F/m为真空介电常数。在步骤S1中，所述的等离子体发生器采用低压放电方式，日光灯管的额定功率为25W，内径为15.6mm，电子镇流器额定功率为30W，升高电压的铁芯材料采用铁氧体，灯管的电子密度值主要在1×1014-1×1016m-3范围内。在步骤S2中，所述的计算等效介电常数的方法包含：在CST三维电磁场仿真软件中进行材料的传输反射特性仿真，首先建立等离子圆柱模型，然后设置对应的电磁参数、频率、以及周期边界条件，接着划分网格生成有限元模型，最后利用时域有限积分方法进行求解，得到等效混合物材料的反射参数S11和透射参数S21；根据反射参数和透射参数，利用NRW算法计算得到单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数。在步骤S3中，所述的等离子体多层分布结构为结构梯度分布。在步骤S3中，所述的等离子体多层分布结构的结构参数包含：各层材料的组分、厚度、介电常数和磁导率，组分包含日光灯管的电子密度和对应的功率；第n层的表面阻抗Zinn表示如下：Zin1＝Z1th(γ1d1)(12)其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子体材料设计方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤S1、采用日光灯管作为等离子体发生器，模拟圆柱体等离子体材料，获取圆柱体等离子体材料的电磁参数；步骤S2、采用圆柱体等离子体材料来构造单层等离子体材料层，根据圆柱体等离子体材料的传输反射特性计算等效介电常数，继而获取单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数；步骤S3、采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计，获得最终的宽带高吸收率等离子体多层分布结构。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体材料设计方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤S1、采用日光灯管作为等离子体发生器，模拟圆柱体等离子体材料，获取圆柱体等离子体材料的电磁参数；步骤S2、采用圆柱体等离子体材料来构造单层等离子体材料层，根据圆柱体等离子体材料的传输反射特性计算等效介电常数，继而获取单层等离子体材料层等效结构的复数磁导率和复数介电常数；步骤S3、采用遗传算法对不同电子密度的单层等离子体材料层进行优化设计，获得最终的宽带高吸收率等离子体多层分布结构。2.如权利要求1所述的等离子体材料设计方法，其特征在于，在步骤S1中，采用电磁波沿平行于圆柱体界面方向垂直入射到非磁化均匀等离子体中的传输模型，等离子体相对介电常数为：其中，ω＝2πf，f为电磁波频率，υen＝2πfen，fen为等离子体中电子与中性气体分子的碰撞频率，为等离子体角频率，ne为等离子体电子密度，e为电子电量(-1.6×10-19库仑)，me为电子质量(9.11×10-31kg)，ε0＝8.85×10-12F/m为真空介电常数。3.如权利要求2所述的等离子体材料设计方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的等离子体发生器采用低压放电方式，日光灯管的额定功率为25W，内径为15.6mm，电子镇流器额定功率为30W，升高电压的铁芯材料采用铁氧体，灯管的电子密度值主要在1×1014-1×1016m-3范围内。4.如权利要求3所述的等离子体材料设计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述的计算等效介电常数的方法包含：在CST三维电磁场仿真软件中进行材料的传输反射特性仿真，首先建立等离子圆柱模型，然后设置对应的电磁参数、频率、以及周期边界条件，接着划分网格生成有限元模型，最后利用时域有限积分方法进行求解，得到等效混合物材料的反射参数S11和透射参数S21；根据反射参数和透射参数，利用NRW算法计算得到单层等...

【专利技术属性】
技术研发人员：许勇刚，梁子长，陈方园，何鸿飞，郭良帅，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31