超材料天线在舰船高功率微波中的应用

吴晖 熊波

摘  要：虽然已经对微波频率下的超材料进行了许多研究，但是它们在高功率下的应用的研究较少。在这里，我们进行了一个超材料几何形状的普遍研究，这些研究是为了确认哪些立体基阵适合在高功率情况下使用。我们进一步开展了遗传算法的优化方案，这一方案可以用于合成具有人工磁导（AMC）性能和减少的最大场增强因子（MFEF）的像素图形。该技术将为高功率微波装置的小型化提供新的技术手段。

关键词：超材料天线;高功率微波;应用

中图分类号：U674         文献标志码：A         文章编号：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

在使用亚波长周期性表面来产生所需要的电磁响应的时候，频率选择表面（FSS）与超材料密切相关。通过FSS的散射响应（幅度和相位）而不是有效的材料响应来评估和确定FSS的设计。但是，高功率所要考虑的东西与超材料和FSS的设计在本质上是相同的。通过对高功率应用的FSS结构的研究，我们发现了在大多数的设计里，功率容量的限制因素是FSS里的介电击穿，这种介电击穿是由于与自由空间能量密度相比在结构内部电场场强增强。介电击穿是一个暂时效应，这个暂时效应改变了这个装置的运行并且导致了物理损坏。在FSS或者超材料里增加的电场强度也许可以通过最大场增强因子来量化，最大场增强因子是结构内的峰值电场与入射场的比率。基于MFEF，文献里已经评估了几种FSS的设计。

2 用于高功率射频应用的超材料几何形状的调查

一个典型的NIM设计在接近共振时会展现出高的吸收损耗和高的场增强因子，这限制了它在HPM情况下的应用。但是一个修正的渔网结构论证了MFEF的减少，特别是在NIM和ZIM带。与典型的开口环谐振器（SRR）设计相比，我们已经论证了在NIM带（n=-1）改进的渔网结构的MFEF从18减少到7.6，在ZIM带（n=0），MFEF从11.5减少到7.0。

ZIM与LIM虽然和NIM器件一样共振，但是他们在共振尾部工作，与NIM相比，他们的损耗和MFEF都会减少。ZIM/LIM已经被广泛应用于天线波束准直和高孔径效率天线的构建。

3 遗传算法合成大功率人工磁导表面

高阻抗表面（HIS）包含其他用于低剖面天线系统的超材料。这种结构包括FSS类型的屏幕，这种类型的屏幕由介质基底和接地面所组成，并且形成一个可以与入射电磁波共振的谐振腔，这样做是为了在谐振时模仿人造磁导体（AMC）响应，此时反射波与入射波同相（即反射相位为零度）。已经对HIS进行了许多实验，希望改善带宽，重量，甚至用遗传算法（GA）优化设计定制的多波段响应。这里我们研究了在GA合成HIS几何结构时期MFEF的抑制。

遗传算法（GA）是一个强大的基于达尔文进化论的随机优化程序。为了合成HIS结构，包括晶胞结构，基底厚度，基底介电常数和像素几何形状的设计参数编码成二元染色体来进行优化。同时定义了一个价值函数来衡量每个设计的成本。用于单波段或多波段AMC表面的价值函数由下式给出：

（1）

其中？渍R是以度为单位的反射相位，freqs是AMC条件下需要的频率。GA用于在1.25GHz，AMC条件下合成HIS，如图1所示，设计参数在表1中给出。图2中的反相位在1.25GHz的条件下的期望值是0。但是在相同频率时，MFEF也有34.7的峰值期望。

为了减少共振时的MFEF，修改价值函数使其包括在FSS的平面中计算MFEF。修改后的价值函数由下式给出：

（2）

其中|E|是FSS元件平面中电场的大小。使用此价值函数，合成了如图1所示的第二种设计。该设计在1.25 GHz时也具有AMC条件，但MFEF保持在14.3以下，如图2所示。这表明通过优化最小MFEF， 在共振时峰值MFEF减少了58.8%。

4 结论

本文介绍了HPM应用的超材料几何形状的研究。对负指数和零指数超材料的几何元素中的MFEF进行了研究，以确定这些结构非常适合在HPM应用中使用。此外，提出了通过利用遗传算法来减少MFEF以优化像素的HIS的技术。通过采用所提出的GA优化方案，合成HIS，其中MFEF约减少50%。

参考文献：

[1]钟顺时.天线理论与技术[M].电子工业出版社，2011.

[2]杨柯健.基于人工电磁材料的新型微带天线的研究[D].北京交通大学，2019.

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