一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法

1.本发明涉及无线微波通信领域，尤其涉及一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法。


背景技术：

2.隐身是电磁学里一个有影响力的概念。2006年，电磁隐身作为超材料的产物产生，从那一时期开始蓬勃发展。已经有了不同类型的隐身技术的出现，包括坐标变换偏差、散射抵消、传输在线匹配、增益补偿和超表面多重散射或波导。
3.现有技术存在的问题及缺陷为：
4.(1)现有的隐身器件在保证结构、操作简单的前提下难以实现对任意目标频点的器件设计。
5.(2)现有的电磁隐身器件的设计方法及过程较为繁琐，进行设计时需考虑的因素较多，同时无法相对稳定地控制结构的插入损耗、回波损耗等特性参数。
6.(3)传统的电磁隐身器件往往限于特定结构。
7.(4)对于复杂空间传统方法不易实现结构的建立。


技术实现要素：

8.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法，用于解决背景技术中提出的现有的电磁隐身器件设计方法繁琐，只能限于特定结构的技术问题。
9.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
10.一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法，包括选用基础siw腔体结构，在其中建立内部端口阵列，预设各内部端口连接情况，使用所提方法得到输入输出端口s参数矩阵，并使用算法对监听器各项性能参数进行优化；
11.包括以下步骤：
12.步骤一，确定待重构的siw结构，进行一次全波仿真，选取目标频点，并记录目标频点的幅度和相位；
13.步骤二，在监听器的腔体内部挖去任意形状的复杂空间，加入监听端口，并且将既存在的内部硬件连接处用内部端口代替；或直接在主体部分可能成为硬件连接的两端之间设置内部端口，建立内部端口阵列；
14.步骤三，使用电磁求解器(如cst mws，ansys hfss)对各内部端口及输入输出端口(外部端口)进行一次完全电磁计算，得到在一定频率范围内各端口间的原始s参数(或端口阻抗)数据；
15.步骤四，使用所提方法，得到基于特定频率的外部端口阻抗与内部端口阻抗矩阵、内部端口连接情况的关系公式；
16.步骤五，使用遗传算法，基于散射矩阵与阻抗矩阵的关系，将基于预设内部端口连
接的外部各端口的各频率s参数s
p,q
设为优化目标；内部端口连接情况作为优化变量；
17.步骤六，在遗传算法脚本程序中设置预期的目标频点与各外部端口的特性参数要求(输入回波损耗低于-15db，输出端口幅度与原始结构输出端口幅度成比例)；设置算法迭代次数和时间；通过步骤三、步骤四得到的基于预设内部端口连接的外部各端口的各频率s参数，遗传算法将对变量进行优化，使得外部端口在目标频点的特性参数符合目标要求；
18.步骤七，若未达到目标频点的各项特性要求(幅度、相位)，则重复步骤五至步骤六；
19.步骤八，若达到了所需目标频点的各项特性要求，则得到了一组满足目标要求的内部端口处连接配置；
20.步骤九，将步骤八得到的一组配置用实体电路的连接与断开替换步骤一中建立的内部端口，得到符合目标要求的电磁隐身监听器，实现重构，其中黑色点位为配置中z
lt
＝0的位置，表示最终该位置需要进行硬件连接。
21.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
22.本发明通过对原始腔体内配置内部端口阵列，基于一组内部端口阵列通断配置由所提方法得到输入输出端口间s参数显性表达式，并使用优化算法对内部端口阵列通断配置进行优化，对于一个固定的腔体框架结构，通过对内部端口阵列的通断配置进行重构，成功实现目标幅相。
23.对于传统的设计方案，需要复杂的电磁计算、并且不易于实现复杂空间的电磁隐身。而对于目前的设计方案，通常也是以结构为基础，进行极为有限频带的选择切换；或是附加集总参数原件或外部激励，增加了系统的复杂度。本发明以优化算法为基础，从算法的角度进行对特定频点的特定幅度和相位进行设计，而回避了以往的从结构及电磁特性角度考虑问题，解决了电磁表面不易实现的问题，应用更具有普适性；且结构简单，无需附加集总元件及特殊材料控制，仅需进行一次全波仿真便可在一固定的腔体框架下实现不同频点的电磁隐身效果，简化了面对不同特性要求的电磁隐身监听器的设计与制作流程，亦使得特性控制更加灵活，为电磁隐身器件的标准化设计与生产。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的基片集成波导(siw)腔体三维示意图；
25.图2是本发明实施例提供的电磁隐身监听器俯视图(含内部端口设置方式与位置)；
26.图3是本发明实施例提供的电磁隐身监听器完成设计后的一种内部端口通断配置示意图；
27.图4是本发明实施例提供的电磁隐身监听器的设计方法流程图；
28.图5是本发明实施例提供的电磁隐身监听器无监听情况、一般监听情况和隐身监听情况输入端口的幅度传输特性曲线；
29.图6是本发明实施例提供的电磁隐身监听器无监听情况、一般监听情况和隐身监听情况输出端口1的幅度传输特性曲线；
30.图7是本发明实施例提供的电磁隐身监听器无监听情况、一般监听情况和隐身监听情况输出端口1的相位传输特性曲线；
31.图8是本发明实施例提供的电磁隐身监听器无监听情况、一般监听情况和隐身监听情况输出端口2的幅度传输特性曲线；
32.图9是本发明实施例提供的电磁隐身监听器无监听情况、一般监听情况和隐身监听情况输出端口2的相位传输特性曲线；
33.图10是本发明实施例提供的电磁隐身监听器无监听情况、一般监听情况和隐身监听情况输出端口3的幅度传输特性曲线；
34.图11是本发明实施例提供的电磁隐身监听器无监听情况、一般监听情况和隐身监听情况输出端口3的相位传输特性曲线；
35.图12是本发明实施例提供的电磁隐身监听器隐身监听情况下监听端口的幅度传输特性曲线；
36.图13是本发明实施例提供的电磁隐身监听器无监听情况下的场分布图；
37.图14是本发明实施例提供的电磁隐身监听器一般监听情况下的场分布图；
38.图15是本发明实施例提供的电磁隐身监听器隐身监听情况下的场分布图。
39.上述附图中：1、第一金属铜层；2、第二金属铜层；3、第三金属铜层；4、介质基板；5、谐振腔体；6、波导端口；7、监听端口；8、复杂空间。
具体实施方式
40.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
41.实施例：
42.本发明实施例提供的一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法包括：
43.步骤一，确定待重构的siw结构，如图1所示，进行一次全波仿真。选取目标频点，并记录目标频点的幅度和相位。
44.步骤二，在监听器的腔体内部挖去任意形状的复杂空间，加入监听端口，并且将既存在的内部硬件连接处用内部端口代替；或直接在主体部分可能成为硬件连接的两端之间设置内部端口，建立内部端口阵列(设计区域可设定为所述siw平面结构各边缘向内收缩通孔半径距离所包围范围内的任意区域；相邻内部端口间距应小于工作波长的1/4)，如图2所示；
45.步骤三，使用电磁求解器(如cst mws，ansys hfss)对各内部端口及输入输出端口(外部端口)进行一次完全电磁计算，得到在一定频率范围内各端口间的原始s参数(或端口阻抗)数据；
46.步骤四，使用所提方法，得到基于特定频率的外部端口阻抗与内部端口阻抗矩阵、内部端口连接情况的关系公式；
47.基于某一组特定内部端口连接方式的外部输入输出端口阻抗矩阵如下所示：
48.zi(f)＝za(f)-zb(f)
×
(zd(f)+z
l
)-1
×
zc(f).
49.其中，假定内部端口数量为n，外部端口数量为m-n；1～n为外部端口，n+1～m为外部端口；
[0050][0051][0052][0053]
zc(f)＝zb(f)
t
[0054][0055][0056]zl
为内部端口阵列的一组通断配置，其可以由步骤四中所述优化给出，也可以人为预先设定，为基于预设内部端口连接的外部各端口间阻抗，z
r,s
为第一次完全电磁计算下得到的的各端口间阻抗，为预设的各内部端口处连接情况，若内部端口连接，则
[0057]
若内部端口断开，则
[0058]
步骤五，使用遗传算法，基于散射矩阵与阻抗矩阵的关系，将基于预设内部端口连接的外部各端口的在目标频点的s参数s
p,q
设为优化目标；内部端口连接情况作为优化变量；
[0059]
步骤六，在遗传算法脚本程序中设置预期的目标频点与各外部端口的特性参数要求(输入回波损耗低于-15db，输出端口幅度与原始结构输出端口幅度成比例)；设置算法迭代次数和时间。通过步骤三、四得到的基于预设内部端口连接的外部各端口的各频率s参数，遗传算法将对变量进行优化，使得外部端口在目标频点的特性参数符合目标要求；
[0060]
步骤七，若未达到目标频点的各项特性要求(幅度、相位)，则重复步骤五至步骤六；
[0061]
步骤八，若达到了所需目标频点的各项特性要求，则得到了一组满足目标要求的内部端口处连接配置；
[0062]
步骤九，将步骤八得到的一组配置用实体电路的连接与断开替换步骤一中建立的内部端口，得到符合目标要求的电磁隐身监听器，实现重构，如图3所示，其中黑色点位为配置中z
lt
＝0ω的位置，表示最终该位置需要进行硬件连接。
[0063]
本发明将可应用于希望实现复杂空间电磁隐身监听的各种微波器件，包括但不限
于基片集成波导(siw)。对于基片集成波导滤波器，一般通过在金属谐振腔内依据电磁特性有规律地配置金属化通孔。本发明提供的技术方案将可以通过简单地在上下金属覆铜层间建立内部端口阵列与预设端口通孔配置方案，从算法角度简单地获得符合目标要求的金属化通孔配置方案。
[0064]
将本发明应用实施例提供的复杂空间电磁隐身监听器的方法应用于计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述复杂空间电磁隐身监听器的方法的步骤。
[0065]
将本发明应用实施例提供的复杂空间电磁隐身监听器的设计方法应用于信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述复杂空间电磁隐身监听器系统。
[0066]
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0067]
本发明以一种siw腔体基础结构为例展示一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法的效果。
[0068]
实施例提供的基片集成波导腔体结构图如图1所示，包括了介质基板4，介质基板4下表面覆盖有第一金属铜层1，上表面覆盖有第二金属铜层2，侧面则由第三金属铜层3所覆盖。整个谐振腔体5是由第一金属铜层1、第二金属铜层2、第三金属铜层3包裹介质基板4所构成(未覆盖波导端口6的馈电部分)。输入输出端口均采用波导端口结构。其中介质基板4的厚度为1.5mm，其相对介电常数εr＝2.65，损耗角正切为tanδ＝0.002。
[0069]
实施例提供的复杂空间电磁隐身监听器结构图如图2所示。复杂空间8是去除介质腔体所保留的部分，加入的监听端口7是由同轴线结构所组成。其中同轴线结构的内导体铜直径为1.28mm，外导体直径为4.2mm，介质层的相对介电常数εr＝2，损耗角正切为tanδ＝0.002，特征阻抗为50欧姆。
[0070]
实施例提供的复杂空间电磁隐身监听器具体结构尺寸标记如俯视图图2所示，具体对应参数见表1。
[0071]
表1实施例电磁隐身监听器结构尺寸参数
[0072][0073]
siw半圆腔体内的区域为将要设置内部端口阵列；后配置金属化通孔的区域。作为实施例，本发明以siw结构为基础，设置了138个内部端口(图示黑点处为端口位置；黑点处上下金属覆铜层为端口两端)展示复杂空间电磁隐身监听器的设计方法的效果。采用多目标遗传算法优化后得到符合要求的内部端口通孔配置方案。siw腔体原始特性参数见表2，所设置优化目标见表3，优化结果如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示。
[0074]
表2siw腔体原始特性参数
[0075]
[0076][0077]
表3各端口优化目标
[0078][0079]
通过比较可以发现，在目标频点的优化结果与目标幅度相位有较好的吻合。实现了在目标频点对外部端口的电磁隐身和在监听端口的电磁监听，显示出良好的效果。
[0080]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法，其特征在于：包括选用基础siw腔体结构，在其中建立内部端口阵列，预设各内部端口连接情况，使用所提方法得到输入输出端口s参数矩阵，并使用算法对监听器各项性能参数进行优化；包括以下步骤：步骤一，确定待重构的siw结构，进行一次全波仿真，选取目标频点，并记录目标频点的幅度和相位；步骤二，在监听器的腔体内部挖去任意形状的复杂空间，加入监听端口，并且将既存在的内部硬件连接处用内部端口代替；或直接在主体部分可能成为硬件连接的两端之间设置内部端口，建立内部端口阵列；步骤三，使用电磁求解器(如cst mws，ansys hfss)对各内部端口及输入输出端口(外部端口)进行一次完全电磁计算，得到在一定频率范围内各端口间的原始s参数(或端口阻抗)数据；步骤四，使用所提方法，得到基于特定频率的外部端口阻抗与内部端口阻抗矩阵、内部端口连接情况的关系公式；步骤五，使用遗传算法，基于散射矩阵与阻抗矩阵的关系，将基于预设内部端口连接的外部各端口的各频率s参数s
p,q
设为优化目标；内部端口连接情况作为优化变量；步骤六，在遗传算法脚本程序中设置预期的目标频点与各外部端口的特性参数要求(输入回波损耗低于-15db，输出端口幅度与原始结构输出端口幅度成比例)；设置算法迭代次数和时间；通过步骤三、步骤四得到的基于预设内部端口连接的外部各端口的各频率s参数，遗传算法将对变量进行优化，使得外部端口在目标频点的特性参数符合目标要求；步骤七，若未达到目标频点的各项特性要求(幅度、相位)，则重复步骤五至步骤六；步骤八，若达到了所需目标频点的各项特性要求，则得到了一组满足目标要求的内部端口处连接配置；步骤九，将步骤八得到的一组配置用实体电路的连接与断开替换步骤一中建立的内部端口，得到符合目标要求的电磁隐身监听器，实现重构，其中黑色点位为配置中z
lt
＝0的位置，表示最终该位置需要进行硬件连接。2.根据权利要求1所述的一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法，其特征在于：所述基于某一组特定内部端口连接方式的外部输入输出端口阻抗矩阵如下所示：z
i
(f)＝z
a
(f)-z
b
(f)
×
(z
d
(f)+z
l
)-1
×
z
c
(f)其中，1～n为外部端口，n+1～m为外部端口；其中，1～n为外部端口，n+1～m为外部端口；
z
c
(f)＝z
b
(f)
ttt
为基于预设内部端口连接的外部各端口间阻抗，z
r,s
为第一次完全电磁计算下得到的各端口间阻抗，为预设的各内部端口处连接情况，若内部端口连接，则若内部端口断开，则3.一种计算机设备，其特征在于：所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-2任意一项所述实现复杂空间电磁隐身监听的方法的步骤。4.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-2任意一项所述实现复杂空间电磁隐身监听的方法的步骤。5.一种信息数据处理终端，其特征在于：所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1-2所述的复杂空间电磁隐身监听系统。6.根据权利要求1所述的一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法，其特征在于：所述siw腔体结构包括介质基板(4)；四个波导端口(6)，四个所述波导端口(6)固设在所述介质基板(4)侧面，其中三个所述波导端口(6)固设在所述介质基板(4)一侧，另一个所述波导端口(6)固设在所述介质基板(4)另一侧；第一金属铜层(1)，该第一金属铜层(1)覆盖在所述介质基板(4)一端，所述第一金属铜层(1)延伸至四个波导端口(6)部分端面；第二金属铜层(2)，该第二金属铜层(2)覆盖在所述介质基板(4)另一端，所述第二金属铜层(2)延伸至四个波导端口(6)部分端面；第三金属铜层(3)，该第三金属铜层(3)覆盖在所述介质基板(4)侧面，所述第三金属铜层(3)延伸至四个波导端口(6)部分侧面；谐振腔体(5)，所述谐振腔体(5)由第一金属铜层(1)、第二金属铜层(2)、第三金属铜层(3)、介质基板(4)与波导端口(6)构成。

技术总结
本发明提供了一种实现复杂空间电磁隐身监听的方法，用于解决背景技术中提出的现有的电磁隐身器件设计方法繁琐，只能限于特定结构的技术问题。本发明公开了一种实现复杂空间电磁隐身监听器，包括选用基础SIW腔体结构，在其中建立内部端口阵列，预设各内部端口连接情况，使用所提方法得到输入输出端口S参数矩阵，并使用算法对监听器各项性能参数进行优化，解决了电磁表面不易实现的问题，应用更具有普适性；且结构简单，无需附加集总元件及特殊材料控制。控制。控制。


技术研发人员：王任 桑岳海 邵俊杰 董明华 梁木生 王秉中
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/7