CN108318758A

CN108318758A - 超表面混响室

Info

Publication number: CN108318758A
Application number: CN201810065523.2A
Authority: CN
Inventors: 李茁; 孙恒; 孙恒一; 顾长青; 陈新蕾; 孙运何
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2018-07-24

Abstract

本发明提出一种新型超表面混响室，该混响室具有降低其最低可用频率、扩大混响室内的测试空间并改善混响室内的场均匀性的特点。本发明中所使用的超表面单元具有周期结构性质、尺寸紧凑、宽频带、高效率、结构简单，厚度较薄，易与传统器件结合，应用广泛等一系列优点，可适用于一般混响室内，改善混响室内场均匀性，扩大测试空间。

Description

超表面混响室

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域及混响室的研究领域，具体涉及在混响室内安装一种超薄超宽带随机编码散射式超表面，实现超表面混响室。

背景技术

早在1968年，Mendes H. A. 教授在洛杉矶的西部电子展览和交流会议上就提出了将空腔谐振器用于电磁辐射的测量的尝试，这便是混响室理论上的雏形。随后在1970年，Jarva W.便将混响室用在了对电缆、连接器以及机壳屏蔽效能的测试之中。混响室以其独特的优点受到了美国军方的重视，于是在1971年发布了MIL- STD 1377标准，该标准将其工作推广到了电子设备的敏感度测试、军械的抗干扰测试及发射测试等领域，成为了混响室应用的一次技术革新。接着，Corona P. 等学者于1976年提出了将混响室用于对有耗材料的吸收特性和设备辐射发射特性进行测量的相应方法。然而总体看来，在这最初的一二十年里，受当时计算机功能的限制而不可能对混响室进行精细建模并对其内的场分布进行大范围高精度的分析计算，从而使得混响室发展缓慢，以致“混响室”这一名词在20世纪80年代中期才由美国国家标准局(NBS，National Bureau of Standards)首次正式提出，并首次建立了一个实际的混响室，从而诞生了混响室的实际雏形。

发明内容

技术问题：为了有效的克服在设计混响室的过程中，实现尽可能降低其最低可用频率、扩大测试空间及改善混响室内的场均匀性的难题，本发明的目的是提供一种新型混响室，将超薄超宽带随机编码散射式超表面与混响室有机的结合，令其可在超宽的工作频带内，实现降低最低可用频率，扩大混响室内的测试空间，及改善其场均匀性。

本发明具体采用如下技术方案：

一种超表面混响室，其特征在于，所述混响室内至少一墙面上安装有至少一超表面，超表面与安装该超表面的墙面平行，并通过机械转轴与墙体连接，利用超表面0°—360°的自由旋转实现搅拌特性。

优选地，所述超表面为圆形。

优选地，所述超表面为超薄超宽带随机编码散射式超表面。

优选地，所述超表面由反射幅度相同、反射相位相差π的两种超表面单元按照遗传算法得到的优化规律排列组成，以实现散射方向的优化。

本发明还提供了一种超表面，其特征在于由反射幅度相同、反射相位相差π的两种超表面单元按照遗传算法得到的优化规律排列组成，超表面单元由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成，底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形；人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V型谐振器、一个切割线谐振器和两个V型金属线结构；两个V型谐振器位于介质层表面同一对角线上，与y轴夹角45°，且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对；切割线谐振器位于V型谐振器所在对角线上且连结在两个V型谐振器之间；两个V型金属线结构位于介质层表面另一对角线上，且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对；其中，V型金属线结构的夹角为90°，V型谐振器的夹角小于180°；V型金属线结构的单边长度小于所述V型谐振器的单边长度；底层的金属板和人工表面电磁结构的厚度一致。

与现有技术相比，本发明优势在于：

1.本发明利用超表面超宽带特性，可通过一块或多块超表面尽可能的覆盖混响室内的宽工作频带。

2.本发明利用超表面的散射特性，令其在混响室内机械旋转，实现搅拌器的特性，从而可改善混响室内的场均匀性。

3.本发明利用超表面的超薄特性，装置在混响室内的墙壁上，有效地扩大了原有混响室内的测试空间。

4.本发明利用超表面自身的谐振特性，增加了原混响室内的腔体模式数，令其在更低的谐振频率上实现更多的模式数，从而降低了原混响室内最低可用工作频率。

5.本发明中所涉及的超表面所用的材料加工方便且易于实现。本发明的超表面单元具有周期结构性质、尺寸紧凑、宽频带、高效率、结构简单，厚度较薄，应用广泛。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明主要提出一种超表面混响室，将超薄超宽带随机编码散射式超表面装置在混响室内的墙上，而机械旋转装置可以安装在混响室外，在改善混响室的最低可用频率、扩大测试空间及场均匀性方面等方面解决了关键性的难题，从而拓展了混响室的应用范围，为其开拓了一种新的应用前景。

2.创新性强，技术前瞻性好：将超表面与混响室有机的结合，旋转式超表面在改善混响室的特性方面创新性强，国内外未见同类思想或方法；其可以很好的与任一混响室配合使用，拓展了混响室的应用范围，具有很好的技术前瞻性。

3.在混响室特性参数方面，具有极大的改善效果，超薄超宽带散射式可作机械旋转超表面可有效的降低混响室的最低可用频率、扩大混响室内的测试空间及改善其场均匀性。

附图说明：

图1是实施例一的超表面单元结构立体图；

图2是实施例一的超表面单元结构反射幅度和反射相位曲线图；

图3是实施例二的整体超表面及其单元排布示意图；

图4是实施例二的整体超表面散射场图；

图5是实施例二的将整体超表面裁剪成圆形示意图；

图6是实施例二的裁剪后的圆形超表面散射场图；

图7是实施例二的裁剪后的圆形超表面相关性系数曲线图；

图8是实施例二的裁剪后的圆形超表面装置在混响室内一侧墙上示意图；

图9是实施例二的混响室内测试空间的场均匀性曲线图；

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

实施例一

如图1所示，超表面单元由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成，底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形。人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V型谐振器、一个切割线谐振器和两个V型金属线结构。两个V型谐振器位于介质层表面同一对角线上（与y轴夹角45°）且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对。切割线谐振器位于V型谐振器所在对角线上且连结在两个V型谐振器之间。两个V型金属线结构位于介质层表面另一对角线上（与V型谐振器所在对角线垂直）且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对。其中，V型金属线结构的夹角为90°， V型谐振器的夹角小于180°。V型金属线结构的单边长度小于所述V型谐振器的单边长度。底层的金属板和人工表面电磁结构的厚度一致。

本例选用的超表面单元边长为p=60毫米，为了更好的实现超表面的散射效果，根据实施例一，将上述超表面单元轴向旋转90°得到相位差为π的另一种超表面单元，分别用编码位“0”和“1”来表征。将相同的“0”或“1”单元分别组成维度为D（4×4）的超单元。因两个超表面单元之间的相位差为π，所以它们各自组成的超单元的相位差也为π。最终的超表面是由“0”和“1”这两种超单元随机排列后所组成的一个M行N阵的阵列。如无特别说明，后文中提到的“单元”均表示超单元。

利用电磁仿真软件建立理论模型，如图1所示，结构的具体参数为b= 15.59毫米，w=4毫米，l=43.64毫米，夹角α=80°，c=8.97毫米，夹角β=90°，h=16毫米。中间介质层选用罗杰斯5880，介电常数ε_r=2.2，损耗角正切为0.0009。所有金属结构及底层金属板的厚度均为t=31毫米。仿真计算可得到如图2所示的单元结构的反射幅度和反射相位结果，证明了两个单元的反射幅度相同，且反射相位差为π。

说明：本发明所选用的金属结构参数并不唯一，可通过修改结构的物理尺寸，改变单元的反射相位，从而实现其他工作频段的散射应用。例如改变单元的金属结构尺寸，可令其应用在更高的频率范围或其他波段。

实施例二

为了将整个超表面能够在其反射空间实现均匀的漫散射效果，首先要利用优化算法并确定不同反射相位单元的排列位置。本例选用遗传算法，并设置100个由“0”和“1”两种单元随机排序组成的阵列作为遗传算法的初始种群，将阵列天线方向图函数作为适应度函数，交叉算子为单点交叉，交叉概率为90%，变异算子为二进制变异，变异概率为10%。为简化计算，所采用的单元反射幅度均为1V/m，故代入到适应度函数里的值仅为单元的相对反射相位0和π。为实现较好的散射效果，设置适应度函数的评估值为≥10dB，表示当所有单元排列成超表面的漫反射场大于等于10dB的情况下，输出单元的排列位置结果如图3所示，并通过仿真软件得到其散射场图（如图4），证明所使用的优化算法的正确性和可靠性。

如图5所示，将得到的优化后超表面整体结构裁剪成圆形（圆形能有效避免对机械旋转结构的干扰，其它满足机械旋转要求的形状也可以）后，通过仿真软件得到其散射场图(如图6)，该结果说明将整体形状裁剪后，超表面依然具有优化后的均匀散射特性。待得到圆形超表面后，为将其与混响室有机结合，本例计算了该超表面的相关性系数，以此来证实超表面具有良好的搅拌效率及搅拌特性。如图7所示，超表面随着作机械旋转的过程中，其相关性系数骤然下降至0.1一下，说明超表面具有极大不相关性，并具有良好的搅拌特性。

根据实际需要，可以将多个超表面安装在混响室内任意墙面。本实施例通过机械转轴将一超表面与混响室内任一侧墙面的墙体连接（如图8所示），超表面与安装该超表面的墙面平行贴附，利用超表面0°—360°的自由旋转实现搅拌特性。按照混响室的国军标准来设置仿真参数，将超表面旋转步进设置为12步，仿真软件中建立8个场强探头，并距离墙壁位置λ/4处，并待超表面搅拌器旋转一周后，计算该测试区间场均匀性。如图9所使，图中所有场分量均小于标准要求，说明超表面混响室具有降低最低可用频率、增加测试空间及改善场均匀性的效果。

Claims

1.一种超表面混响室，其特征在于，所述混响室内至少一墙面上安装有至少一超表面，超表面与安装该超表面的墙面平行，并通过机械转轴与墙体连接，利用超表面0°—360°的自由旋转实现搅拌特性。

2.如权利要求1所述的超表面混响室，其特征在于，所述超表面为圆形。

3.如权利要求1所述的超表面混响室，其特征在于，所述超表面为超薄超宽带随机编码散射式超表面。

4.如权利要求3所述的超表面混响室，其特征在于，所述超表面由反射幅度相同、反射相位相差π的两种超表面单元按照遗传算法得到的优化规律排列组成，以实现散射方向的优化。

5.如权利要求4所述的超表面混响室，其特征在于，所述两种超表面单元，其中一种超表面单元由另一种超表面单元轴向旋转90°形成。

6.如权利要求4所述的超表面混响室，其特征在于所述两种超表面单元分别用编码位“0”和“1”来表征。

7.如权利要求4所述的超表面混响室，其特征在于超表面单元由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成，底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形；人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V型谐振器、一个切割线谐振器和两个V型金属线结构；两个V型谐振器位于介质层表面同一对角线上，与y轴夹角45°，且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对；切割线谐振器位于V型谐振器所在对角线上且连结在两个V型谐振器之间；两个V型金属线结构位于介质层表面另一对角线上，且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对；其中，V型金属线结构的夹角为90°，V型谐振器的夹角小于180°；V型金属线结构的单边长度小于所述V型谐振器的单边长度；底层的金属板和人工表面电磁结构的厚度一致。

8.一种超表面，其特征在于由反射幅度相同、反射相位相差π的两种超表面单元按照遗传算法得到的优化规律排列组成，超表面单元由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成，底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形；人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V型谐振器、一个切割线谐振器和两个V型金属线结构；两个V型谐振器位于介质层表面同一对角线上，与y轴夹角45°，且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对；切割线谐振器位于V型谐振器所在对角线上且连结在两个V型谐振器之间；两个V型金属线结构位于介质层表面另一对角线上，且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对；其中，V型金属线结构的夹角为90°，V型谐振器的夹角小于180°；V型金属线结构的单边长度小于所述V型谐振器的单边长度；底层的金属板和人工表面电磁结构的厚度一致。