混合高低频电磁软体模拟天线在超大型结构体下之射
基于电磁超材料的高性能天线技术研究

基于电磁超材料的高性能天线技术研究基于电磁超材料的高性能天线技术研究摘要:电磁超材料是一种新型材料,具有特殊的电磁性质,被广泛应用于天线技术研究中。
本文将探讨基于电磁超材料的高性能天线技术,并介绍其原理、制备方法和应用前景。
一、引言天线作为无线通信系统的核心组成部分,其性能直接影响着通信质量和系统可靠性。
传统天线通常基于导体材料设计制造,受到材料性能的限制,其性能和功能较为有限。
而电磁超材料的出现给天线技术带来了巨大的突破。
二、电磁超材料的特性1.负折射:电磁超材料具有负折射特性,即电磁波在材料中传播时呈现出与常规材料相反的折射行为。
这一特性可以用来优化天线的辐射性能,实现更高的增益和更广的波束宽度。
2.吸波降噪:电磁超材料在特定频率范围内可以吸收辐射能量,起到吸波降噪的作用。
通过将电磁超材料应用于天线的辐射结构中,可以有效降低天线的回波损耗和杂散辐射,提高通信质量。
3.波导效应:电磁超材料可以通过控制电磁波的传播路径和幅值来实现波导效应,从而实现尺寸远小于波长的天线设计。
这为微小天线和集成天线的制作提供了新的思路和方法。
三、基于电磁超材料的天线设计方法1.天线结构优化:通过将电磁超材料的特性引入到天线的结构设计中,可以实现天线的高增益、宽带和低副瓣等性能指标的优化。
例如,可以通过选择合适的电磁超材料,设计出宽带天线,提高天线的频率响应范围。
2.电磁超材料天线阵列:通过将电磁超材料应用于天线阵列结构中,可以实现波束的调控和电磁波的指向性辐射。
这一方法可以用于实现多波束的天线系统,提高通信系统的容量和覆盖范围。
3.多功能天线设计:电磁超材料的特性可以用于实现多功能天线的设计。
例如,通过在电磁超材料表面引入可调谐器件,可以设计出具有调频调相功能的天线,满足不同通信要求。
四、电磁超材料的制备方法1.基于金属结构的制备:金属结构是电磁超材料的典型制备方法之一,通过精确控制金属结构的尺寸、形状和排列方式,可以实现对电磁波的控制和调控。
基于石墨烯太赫兹频段超材料天线的设计与研究

基于石墨烯太赫兹频段超材料天线的设计与研究
随着科技的发展,在微波、太赫兹频段中应用石墨烯太赫兹频段超材料天线被越来越多的研究技术热点所关注。
石墨烯被认为是下一代技术的重要元素,其在电磁场处理、高效过滤等应用中能够提升系统性能。
因此,本文探讨了基于石墨烯太赫兹频段超材料天线的设计与研究。
二、研究内容
首先,本文介绍了石墨烯太赫兹频段超材料天线的基本原理,这种天线主要利用石墨烯的电磁波透射特性,采用太赫兹频段元件的结构来构成超材料天线。
研究人员分析了基本结构图,发现其通过平板结构来增强辐射性能,使结构正交至入射电磁波,从而提高收发器的辐射效率。
其次,本文详细介绍了石墨烯太赫兹频段超材料天线的电口特性,包括斯滕伯格常数和穿过系数,以及电阻的影响。
在实验过程中,研究人员采用不同参数设计,并且通过测试有效验证了石墨烯太赫兹频段超材料天线的辐射性能。
此外,本文还研究了石墨烯太赫兹频段超材料天线的可塑性特性,分析了这种天线在实际应用中可以进行多次调节,以满足不同条件下系统的要求。
最后,本文提出了以下几点总结和建议:(1)石墨烯太赫兹频段超材料天线在微型化方面有很大的优势,可以满足多种复杂的电磁环境应用;(2)该天线可以通过加大板式厚度来提高电磁屏蔽效果;(3)
未来研究应更好地整合电磁物理、微波、模拟电路设计、仿真技术等多个学科,以提升超材料天线的技术综合性能。
三、结论
本文通过对石墨烯太赫兹频段超材料天线的研究,深入探讨了其基本原理、电口特性、可塑性特性等,可以为实际应用提供参考。
未来的研究将更好地建立和深入研究石墨烯太赫兹频段超材料天线的特性,以提高其应用前景。
左手材料在天线中的运用

左手材料在无线通信领域的应用前景
总结词
详细描述
左手材料在无线通信领域具有广泛的应用前 景,将为无线通信技术的发展带来革命性的 变革。
左手材料的特殊电磁特性使其在无线通信领 域具有广泛的应用价值,例如在提高无线通 信设备的灵敏度、信号传输速度和抗干扰能
力等方面,都将发挥重要作用。
左手材料在雷达系统中的应用前景
左手材料的特性
这种材料具有负的折射率,对电磁波的传播方向与电场和磁场的 方向都与常规右手材料相反。
左手材料的分类
根据左手材料的特性,可以将其分为活性左手材料和被动左手材料。
02
左手材料在天线设计中的优势
提高天线效率
左手材料的高电导率和磁导率可以减少电磁波在传播过程中的能量损失,提高电 磁波的传输效率,从而提高天线的效率。
• 制造方法:目前常用的制造方法包括真空蒸发沉积、纳米压印、化学气 相沉积等,但这些方法普遍存在效率低、成本高的问题。
• 尺寸控制:制造过程中对左手材料尺寸的控制也是一大挑战,尤其是对 于纳米级别的材料。
• 解决策略:研究者们正在开发新的制造工艺,以提高加工效率并降低成 本。例如,利用先进的纳米压印和化学气相沉积技术,可以更精确地控 制材料的尺寸和形状。此外,通过引入新型设备,也能提高生产效率。
通过利用左手材料的特殊性质,可以将电磁波聚集在特定 的方向上,提高天线的发射效率和接收灵敏度。
降低天线的雷达散射截面
左手材料可以改变电磁波的传播方向 ,使电磁波散射到各个方向,从而降 低天线的雷达散射截面。
VS
降低天线的雷达散射截面可以减少被 敌方雷达发现的可能性,提高天线的 隐蔽性和生存能力。
03
THANK S感谢观看
左手材料的特殊性质可以改变电磁波的相位和振幅,使天线更加高效地发射和接 收电磁波。
高超声速飞行器多物理场耦合问题建模与分析

2023-11-06CATALOGUE目录•引言•高超声速飞行器多物理场耦合模型•高超声速飞行器多物理场耦合数值模拟•高超声速飞行器多物理场耦合问题分析•高超声速飞行器多物理场耦合问题优化设计•结论与展望01引言研究背景与意义高超声速飞行器在国防、科技和商业领域具有重要应用价值,如高超声速巡航导弹、高超声速飞机等。
多物理场耦合问题是高超声速飞行器设计面临的重大挑战之一,涉及气动、热、结构等多个物理场的相互影响。
研究多物理场耦合问题对提高高超声速飞行器的性能、安全性和可靠性具有重要意义。
010203研究现状与发展国内外学者针对高超声速飞行器多物理场耦合问题开展了广泛研究,提出了许多建模与求解方法。
然而,由于高超声速飞行器多物理场耦合问题的复杂性,仍存在许多挑战需要进一步解决。
随着计算技术和数值方法的不断发展,多物理场耦合问题的研究将更加深入,为高超声速飞行器的设计提供更加有效的手段。
02高超声速飞行器多物理场耦合模型建模方法与原理耦合模型分类根据耦合程度和物理场类型,可将高超声速飞行器多物理场耦合模型分为强耦合模型、弱耦合模型和混合耦合模型。
建模原理利用物理和数学方法,建立能够描述各物理场之间相互作用和影响的数学模型,并进行数值模拟和实验验证。
常用软件ANSYS、FLUENT、MATLAB、COMSOL等。
气动-热-结构耦合模型热效应对气动性能的影响结构变形会改变飞行器的气动外形,进而影响飞行器的气动性能。
建模方法采用有限元法和有限差分法等数值方法,进行耦合求解。
气动外形对温度场的影响高超声速飞行时,气动加热会导致飞行器表面温度升高,进而影响结构强度和刚度。
03建模方法采用多学科耦合方法和控制理论进行建模和仿真分析。
气动-推进-控制耦合模型01推进系统对气动性能的影响火箭发动机的推力、燃料消耗等会影响飞行器的气动外形和气动性能。
02控制系统的气动效应控制面、控制机构等的气动效应会影响飞行器的气动性能和控制精度。
PAM-CEM三维电磁仿真软件介绍

PAM-CEM三维电磁仿真软件介绍一、概述随着电子设备使用的增加,完全真实的电磁兼容(EMC) 测试只能在产品样机进行,EMC问题常常在产品开发的后续阶段才会出现,这也就预示着要进行昂贵和耗时的设计迭代。
因此,在设计早期阶段掌握EMC兼容性变为一个关键的技术问题,数值EMC作为一个使电磁兼容更快更高效解决的途径而出现。
ESI集团根据工业中从低频到中高频的实际电磁/电磁兼容问题,提出了完整的全频段的解决方案:PAM-CEM/Visual-CEM用于解决中高频EMC/EMI电磁兼容问题;CRIPTE用于解决线缆网络的电磁兼容问题;SYSMGNA 用于解决低频特性的电磁问题。
而PAM-CEM与CRIPTE软件的完全耦合功能,更是对于具有复杂线缆网络的设备提供了完整的电磁兼容解决方案。
二、PAM-CEM 软件包随着工业部门的电子设备日益复杂,预测及控制电磁干扰现象的能力对保证系统操作的可靠性是必要的,尤其是关系到安全性和保密性的情况,而PAM-CEM解决方案就是能够解决实际EMC问题的关键手段。
PAM-CEM解决方案由专门从事电磁场仿真计算达20年的专家团队开发,专门用于EMC的仿真测试。
其开发目标是在设计的早期阶段选择更加真实的模型,进行电磁兼容(EMC)模拟仿真,从而预测系统或设备可能的机能问题,并立即仿真结果采取措施。
PAM-CEM电磁兼容解决方案可以解决的问题包括:电磁辐射(EMR)和电磁干扰(EMI)问题(近场);天线、雷达对仿真分析对象的辐射模式问题(远场);机载/车载设备对外来入侵电磁干扰的抗干扰度问题;大型装备系统对外界环境(电磁污染)的电磁辐射(EMR)等问题;由内部布线引起的电磁干扰(EMI)、扰动电磁敏感性(EMS)、线缆屏蔽效果等问题;具有复杂线缆网络设备下3D模型与线缆网络耦合电磁仿真分析的电磁辐射与电磁敏感问题。
该解决方案软件已广泛用于交通运输工业(汽车和火车)、航空航天、通信和电子等领域。
超构表面自由调控电磁波——记2019年度国家自然科学奖二等奖项目“超构表面对电磁波的调控”

周磊认为,打通从基础研究到 现实应用这一条线对于服务国家重大 需求而言非常重要。“这不仅需要科 研人员的努力,同时也需要政府及产
业界的共同协作与支持。”在当今国 际竞争激烈的环境下,通过产学研结 合,真正了解国家需求,将基础前沿 的科研成果落到实处,是目前团队最 为期待的未来发展路径。
科学精神:永远保持好 奇心
这些原创性科研成果在理论上颠覆了对电磁规律的传统认知为自由调控电磁波提供了理论和实验基础实现了众多三维超构材料无法企及的电磁波调控新现象超பைடு நூலகம்表面已经成为超构材料领域的主流方向
展示│Exhibition
超构表面:自由调控电磁波
—— 记2019年度国家自然科学奖二等奖项目“超构表面对电磁波的调控”
本刊记者 张立红 □ 吕艾雨
团队利用人工设计的超构表面, 突破了自然材料对电磁波调控能力
周磊(右二)及团队成员在人民大会堂外合影
弱的缺陷,实现了对电磁波的偏振、 波前、相位等特性的自由高效调控。 这些原创性科研成果在理论上颠覆了 对电磁规律的传统认知,为自由调控 电磁波提供了理论和实验基础,实现 了众多三维超构材料无法企及的电磁 波调控新现象,超构表面已经成为超 构材料领域的主流方向。团队完成的 “超构表面对电磁波的调控”项目荣 获2019年度国家自然科学奖二等奖。
一种基于重构结构的超宽频带低RCS等离子体天线[实用新型专利]
![一种基于重构结构的超宽频带低RCS等离子体天线[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e49889d55727a5e9846a61ba.png)
专利名称:一种基于重构结构的超宽频带低RCS等离子体天线专利类型:实用新型专利
发明人:贾丹,耿京朝,何其洪
申请号:CN201921020636.7
申请日:20190702
公开号:CN209766644U
公开日:
20191210
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型公开了一种基于重构结构的超宽频带低RCS等离子体天线,包括高频段天线、通断开关和位于高频段天线上方设置有可调控天线的工作频段及具有低RCS特性的等离子天线,通断开关衔接在高频段天线与等离子天线之间;等离子天线包括底盘、等离子栅阵,等离子栅阵配装在底盘上方,等离子栅阵通过通断开关电与高频段天线连通,隐身性能好,动态可调性强,互耦效应低的特点。
申请人:中国电子科技集团公司第五十四研究所
地址:050081 河北省石家庄市中山西路589号天伺部
国籍:CN
代理机构:河北东尚律师事务所
代理人:王文庆
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超低频水下发射天线的可行性研究

f a c e ( 0 —1 0 0 k m/ 5 0 0 0k m a n d z 一1 0 0 m) wi t h o n e SI F d a t a o f t h e US .Th e r e s u l t i s t h a t i n t h e i n t e r me d i a t e f i e l d,i t i s h a r d l y r e a l i z e d wi t h u n —
T M1 5 1 中图 分 类 号
Fe a s i b i l i t y Re s e a r c h o f Un d e r wa t e r S LF Tr a n s mi t t i n g An t e n n a s
YAN Xi a o we i
应用前景 。
本文在分析超低频 发射 天线现状 和发 展 的基础上 , 研 究 了超低频 电磁波从 海水传 人大气 时 , 在海 面处发 生 的反 射和透射 , 穿透海面的能量集中在界面附近 , 沿两种介 质分 界 面传播 的侧面波 的近似计算公式 。通过对 比近场 和远场 时海水 中r wa t e r a n t e n n a b e l o w 1 0 0 m. Bu t i n t h e n e a r f i e l d,o nl y a s h o r t a n t e nn a i s e n o u g h a s t he s a me t r a n s mi t t i n g c u r r e n t ,wh i c h wi l l g r e a t l y r e — d u c e t h e c o s t o f SI F t r a n s mi t t i n g s y s t e m .Th e u nd e r wa t e r a n t e nn a i s d i f f i c u l t t o b e f ou n d .I t h a s e x c e l l e n t v i a b i l i t y a n d f l e x i b i l i t y . Ke y Wo r d s t r a ns mi t t i n g a n t e nn a ,s u p e r l o w f r e q ue n c y ,l a t e r a l e l e c t r o ma g n e t i c wa v e s ,n e a r f i e l d,i n t e r me d i a t e f i e l d
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混合高低頻電磁軟體模擬天線在超大型結構體下之
輻射
周錫增1,2 , 楊子民1,2, 洪國倫1,2
1 Department of Communications Engineering, Yuan Ze University, Chung-Li, Taiwan
2 Communications Research Center, Yuan Ze University, Chung-Li, Taiwan
摘要
本研究主要工作是利用高低頻的電磁軟體模擬天線在超大型結構體下的輻射。
本研究係探討天線與超大型結構體之電磁交互作用,無論是衛星或是船艦,在電磁學上應劃分在大尺度的問題,對於一般採用低頻方法的工業用數值模擬軟體,如HFSS而言,會因為尺度過大而無法計算。
因此,在本研究中使用NEC-BSC這個以geometric theory of diffraction高頻電磁數值方法為基礎的模擬軟體來計算超大型結構體之於天線的影響。
本研究所發展的電磁模擬技術,可用以處理大尺度的電磁傳播問題,對於太空與國防科技的發展皆有助益。
簡介
無線通訊的快速成長,對於像是汽車或是軍艦之類的大結構體,大幅地增加使用天線的機會。
考慮到天線的效應,天線的設計會直接牽涉到大結構體,並且因為載台的尺寸非常大,會增加天線分析和數值模擬的困難度。
一般而言,利用數值方法模擬計算,求出電磁場分布解,是處理電磁應用問題的常見手段。
隨著演算技巧的更新及電腦硬體技術之演進,近年來使用商業化電磁模擬軟題、如以頻率域分析的HFSS及以時域分析之CST進行天線設計或電磁干擾的問題,已是工業界普遍應用的方式。
其適用範圍僅限於小尺度的問題。
當問題的尺寸變大,低頻方法所需的計算時間與記憶體容量多是隨着頻率及計算範圍(calculation domain)以立方甚至是指數倍數成長。
因此,雖然低頻方法所得的答案準確,卻不適用於處理大尺度的電磁傳播問題。
相對於低頻方法,電磁傳播的問題多以高頻方法加以處理。
其方法多根據趨近條件的設定,對問題加以簡化,求得近似解,因此高頻方法的答案多可能存在誤差,並且高頻方法無法準確地針對相對於整個載台而言非常小尺寸的天線結構加以分析。
為了準確地預估天線與載台之電磁交互作用,並有效率地處理類似之大尺度的電磁傳播問題,本中提出ㄧ複合式的解決方案(a hybrid method)。
這個解決方案主要是將整個問題根據物理尺寸及特性分割成低頻部分及高頻部分加以分析,把低頻部分之結果作為高頻部分之輸入條件,分析計算後再加以整合。
在二者之間的連結則架構於Principle of Equivalence之上。
如此一來,除了可以顧及小尺寸天線特性之準確度外,更可以兼顧在大尺度載台分析之計算效率。
至於如何適切地針對整個問題做切割以及如何正確地整合高低頻技術之分析結果,將是本研究之重點項目之一。
混成式演算法流程
接下來是結合低頻與高頻演算法之混成式演算法的流程,圖一為研究方法的主要流程,將幾何結構檔案中的資訊匯入高頻演算法的NEC-BSC繪製出結構圖,其中匯入的過程將開發介面程式來做匯入,接下來再將結構體當中的平面資訊從NEC-BSC匯出到低頻的演算法,也就是CST,在CST中便可以做細微的天線設計,再來計算天線在低頻演算法中的電流分布和電場分布,之後就可以將在低頻演算法計算出的電流分布和電場分佈匯出至高頻演算法的NEC-BSC 中做計算,最後就能獲得結果。
CST內天線設計和模擬
首先在CST的分割出一塊平面上設計天線做模擬,先設計一個900MHz的monopole天線,並且設定此平面的長寬都為波長的a倍。
接下來必須要提出的是,如圖二,可能會在分割出來的平面周圍設定假定邊界(artificial boundaries),在這種情況下,假定邊界可能會產生不需要的多餘折射(reflection)或繞射(diffraction),這將會影響到之後天線計算的正確性。
為了要補救這種狀況,設定漸變吸收體(tapered absorbing)為假定邊界,這樣便可以從邊緣提供平滑的阻抗傳輸到完美的輻射邊界。
但是在理論上來說,由於吸收體材質的導電係數都很高,這樣的設定如果要有效,mesh會非常密,而且利用低頻的演算法會花上許多時間。
因此,在我們的研究中,使用Perfect Magnetic Layers(PML)近似值直接讓分割的邊緣和PML的邊界一致。
所以,假定邊界將不會再存在,並且在計算的時候將避免去計算吸收材質的部分。
接下來再將天線的周圍利用虛擬邊界(virtual boundary)包圍住,如圖三,虛擬邊界分成五層,每層的長度為二十分之波長。
為了要觀測電場分佈,利用CST 當中probe的功能,觀測出每一面虛擬邊界
的電場分佈,以J n E
r r
=×
r來計算。
不過現在先來針對切割平面的邊長來做分析,圖二中設定邊長為波長的a倍,在每個觀測點中可以發現,當a大於1,電場值將會越來越收斂,那是因為當a小於1,過小的切割平面將會影響到虛擬邊界。
運算實例
首先,為了要和混成式演算法做比較,直接在CST當中繪製一台汽車,先在CST中不切割直接模擬。
在車頂上設置一個單極天線(monopole antenna),中心頻率為900MHz,汽車的長度為4.3公尺,寬度為2公尺,如圖四,直接利用CST做計算,圖五為此單極天線的S11,圖六則為此單極天線的遠場場形,從圖五可以了解此單極天線操作頻帶的確是900MHz。
接下來便可以進行混成式演算法來和在CST當中直接模擬出的結果做比較,將表一所計算出的等效電流代入到高頻的NEC-BSC當中做計算,如圖七。
當然,等效電流所設置的位置和在CST 中一樣,並且在CST中所設定的虛擬邊界在NEC-BSC中替換成完全電導體(Perfect Electric Conductors)。
之後便可以在NEC-BSC中計算遠場場形,如圖八(a)和圖八(b),將NEC-BSC所計算出的場形和直接使用CST模擬出的場形做比較。
不過在CST 中,場形的大小必須取決於觀測點的位置。
可以明顯地看到,CST模擬的結果和利用NEC-BSC計算出的場形相當類似,但是運算時間卻相差很多,利用NEC-BSC計算的時間
不需要一分鐘,而利用CST直接模擬卻必須花上一小時。
結論
總結來說,混成式演算法成功地應用在車頂上900MHz的單極天線,顯示出的結果證明此研究可以在大結構體上的天線設計是有效率且準確的。
並且,利用混成式演算法,運算時間將會大大地減少。
圖二:切割平面的假定邊界
Reference
[1]. NEC-BSC version 4.2 User’s
Manual, The Ohio State University, June 2000.
[2]. CST Studio Suite 2006B User’s Manual, CST
Computation Simulation Technology, 2006.
圖三:在天線周圍包圍virtual boundary [3]. C. A. Balanis, “Antenna Theory”, John Wiely
& Sons, New Jersey, 2005
圖四:在車頂設置900MHz單極天線
圖一:結合低頻與高頻演算法之混成式演算
法流程圖
圖五:900MHz單極天線的S11
圖六:900MHz單極天線遠場場形圖
圖七:將等效電流代入NEC-BSC中計算
圖八:分別利用CST和NEC-BSC計算後做比較。