超材料天線在艦船高功率微波中的應(yīng)用

吳暉 熊波

摘? 要：雖然已經(jīng)對微波頻率下的超材料進行了許多研究，但是它們在高功率下的應(yīng)用的研究較少。在這里，我們進行了一個超材料幾何形狀的普遍研究，這些研究是為了確認(rèn)哪些立體基陣適合在高功率情況下使用。我們進一步開展了遺傳算法的優(yōu)化方案，這一方案可以用于合成具有人工磁導(dǎo)（AMC）性能和減少的最大場增強因子（MFEF）的像素圖形。該技術(shù)將為高功率微波裝置的小型化提供新的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：超材料天線;高功率微波;應(yīng)用

中圖分類號：U674? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0167-02

Abstract： Although many studies have been done on metamaterials at microwave frequency， there are few studies on their applications at high power. Here， we have carried out a general study of metamaterial geometry in order to confirm which stereo arrays are suitable to be used in high power conditions. We further develop the optimization scheme of genetic algorithm， which can be used to synthesize pixels with artificial magnetic conductivity（AMC） performance and reduced maximum field enhancement factor （MFEF）. This technology will provide a new technical means for the miniaturization of high power microwave devices.

Keywords： metamaterial antenna; high power microwave; application

1 介紹

在使用亞波長周期性表面來產(chǎn)生所需要的電磁響應(yīng)的時候，頻率選擇表面（FSS）與超材料密切相關(guān)。通過FSS的散射響應(yīng)（幅度和相位）而不是有效的材料響應(yīng)來評估和確定FSS的設(shè)計。但是，高功率所要考慮的東西與超材料和FSS的設(shè)計在本質(zhì)上是相同的。通過對高功率應(yīng)用的FSS結(jié)構(gòu)的研究，我們發(fā)現(xiàn)了在大多數(shù)的設(shè)計里，功率容量的限制因素是FSS里的介電擊穿，這種介電擊穿是由于與自由空間能量密度相比在結(jié)構(gòu)內(nèi)部電場場強增強。介電擊穿是一個暫時效應(yīng)，這個暫時效應(yīng)改變了這個裝置的運行并且導(dǎo)致了物理損壞。在FSS或者超材料里增加的電場強度也許可以通過最大場增強因子來量化，最大場增強因子是結(jié)構(gòu)內(nèi)的峰值電場與入射場的比率。基于MFEF，文獻里已經(jīng)評估了幾種FSS的設(shè)計。

2 用于高功率射頻應(yīng)用的超材料幾何形狀的調(diào)查

一個典型的NIM設(shè)計在接近共振時會展現(xiàn)出高的吸收損耗和高的場增強因子，這限制了它在HPM情況下的應(yīng)用。但是一個修正的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)論證了MFEF的減少，特別是在NIM和ZIM帶。與典型的開口環(huán)諧振器（SRR）設(shè)計相比，我們已經(jīng)論證了在NIM帶（n=-1）改進的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的MFEF從18減少到7.6，在ZIM帶（n=0），MFEF從11.5減少到7.0。

ZIM與LIM雖然和NIM器件一樣共振，但是他們在共振尾部工作，與NIM相比，他們的損耗和MFEF都會減少。ZIM/LIM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于天線波束準(zhǔn)直和高孔徑效率天線的構(gòu)建。

3 遺傳算法合成大功率人工磁導(dǎo)表面

高阻抗表面（HIS）包含其他用于低剖面天線系統(tǒng)的超材料。這種結(jié)構(gòu)包括FSS類型的屏幕，這種類型的屏幕由介質(zhì)基底和接地面所組成，并且形成一個可以與入射電磁波共振的諧振腔，這樣做是為了在諧振時模仿人造磁導(dǎo)體（AMC）響應(yīng)，此時反射波與入射波同相（即反射相位為零度）。已經(jīng)對HIS進行了許多實驗，希望改善帶寬，重量，甚至用遺傳算法（GA）優(yōu)化設(shè)計定制的多波段響應(yīng)。這里我們研究了在GA合成HIS幾何結(jié)構(gòu)時期MFEF的抑制。

遺傳算法（GA）是一個強大的基于達(dá)爾文進化論的隨機優(yōu)化程序。為了合成HIS結(jié)構(gòu)，包括晶胞結(jié)構(gòu)，基底厚度，基底介電常數(shù)和像素幾何形狀的設(shè)計參數(shù)編碼成二元染色體來進行優(yōu)化。同時定義了一個價值函數(shù)來衡量每個設(shè)計的成本。用于單波段或多波段AMC表面的價值函數(shù)由下式給出：

（1）

其中？漬R是以度為單位的反射相位，freqs是AMC條件下需要的頻率。GA用于在1.25GHz，AMC條件下合成HIS，如圖1所示，設(shè)計參數(shù)在表1中給出。圖2中的反相位在1.25GHz的條件下的期望值是0。但是在相同頻率時，MFEF也有34.7的峰值期望。

為了減少共振時的MFEF，修改價值函數(shù)使其包括在FSS的平面中計算MFEF。修改后的價值函數(shù)由下式給出：

（2）

其中|E|是FSS元件平面中電場的大小。使用此價值函數(shù)，合成了如圖1所示的第二種設(shè)計。該設(shè)計在1.25 GHz時也具有AMC條件，但MFEF保持在14.3以下，如圖2所示。這表明通過優(yōu)化最小MFEF， 在共振時峰值MFEF減少了58.8%。

4 結(jié)論

本文介紹了HPM應(yīng)用的超材料幾何形狀的研究。對負(fù)指數(shù)和零指數(shù)超材料的幾何元素中的MFEF進行了研究，以確定這些結(jié)構(gòu)非常適合在HPM應(yīng)用中使用。此外，提出了通過利用遺傳算法來減少MFEF以優(yōu)化像素的HIS的技術(shù)。通過采用所提出的GA優(yōu)化方案，合成HIS，其中MFEF約減少50%。

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