人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法及設(shè)計系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。該方法包括輸入步驟、優(yōu)化搜索步驟以及輸出步驟，通過以上步驟，本發(fā)明專利技術(shù)能夠根據(jù)需要設(shè)計的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的目標(biāo)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)通過搜索得到人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的最優(yōu)幾何參數(shù)解。該設(shè)計方法標(biāo)準(zhǔn)化、自動化程度高，降低了設(shè)計實(shí)現(xiàn)難度，有利于人工電磁材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。本發(fā)明專利技術(shù)還公開了一種人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及人工電磁材料領(lǐng)域，特別是涉及人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法及設(shè)計系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
人工電磁材料，也稱為超材料，是將具有特定幾何形狀的亞波長宏觀基本單元周期性或非周期性地排列所構(gòu)成的人工材料。簡單來說，就是用有序的人造單元“粒子”代替自然界材料的分子或原子等基本粒子，所組成的一種等效材料。與傳統(tǒng)意義材料相比，人工電磁材料的媒質(zhì)特性取決于其基本單元結(jié)構(gòu)和單元的空間分布。人們可以通過人為地設(shè)計單元結(jié)構(gòu)來控制材料屬性，構(gòu)成自然界不存在的特殊結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)而控制電磁波的傳播特性。目前，對人工電磁材料的研究和設(shè)計尚處于初級階段，主要憑借經(jīng)驗(yàn)，人工進(jìn)行設(shè)計和調(diào)節(jié)，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的設(shè)計方法以及計算機(jī)輔助設(shè)計手段，設(shè)計周期長、難度大，難以滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的實(shí)際需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)主要解決的技術(shù)問題是提供一種人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和設(shè)計系統(tǒng)，能夠?yàn)槿斯る姶挪牧蠁卧Y(jié)構(gòu)設(shè)計提供一種快速、便利以及標(biāo)準(zhǔn)化的解決方法。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供的一個技術(shù)方案是該方法包括輸入步驟，用于接收人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計信息；優(yōu)化搜索步驟，基于該設(shè)計信息，通過計算模型進(jìn)行運(yùn)算處理，得到計算結(jié)果；以及輸出步驟，用于輸出該計算結(jié)果，其中，該計算結(jié)果包括人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和/或人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計信息包括人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和/或人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，在該優(yōu)化搜索步驟中，基于該計算模型，利用局部或全局最優(yōu)化算法對需要設(shè)計的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)可行解空間進(jìn)行最優(yōu)搜索，得到接近人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該最優(yōu)化算法包括遺傳算法或粒子群優(yōu)化算法。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該方法還包括模型建立步驟，該模型建立步驟包括設(shè)計子步驟，在選定的頻率范圍內(nèi)，對多個不同幾何參數(shù)的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的試驗(yàn)點(diǎn)的電磁特性進(jìn)行仿真測量，得到該人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的電磁響應(yīng)曲線；提取子步驟，將該電磁響應(yīng)曲線通過數(shù)學(xué)、統(tǒng)計或物理模型進(jìn)行描述，然后利用數(shù)理計算方法對該模型進(jìn)行參數(shù)估計，得到該電磁響應(yīng)曲線的特征參數(shù)；響應(yīng)建模子步驟，建立人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與電磁響應(yīng)曲線特征參數(shù)之間的數(shù)學(xué)或統(tǒng)計模型，利用該數(shù)學(xué)或統(tǒng)計模型，插值計算出該人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)任一給定的幾何參數(shù)所對應(yīng)的電磁響應(yīng)曲線特征參數(shù)，進(jìn)而得出該計算模型。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，在該提取子步驟中，對該電磁響應(yīng)曲線進(jìn)行平滑處理，并通過樣條回歸模型對該電磁響應(yīng)曲線進(jìn)行描述。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，在該響應(yīng)建模子步驟中，由該電磁響應(yīng)曲線特征參數(shù)進(jìn)一步計算得到該人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)曲線。本專利技術(shù)還提供一種人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)，該設(shè)計系統(tǒng)包括輸入模塊，用于接收人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計信息；優(yōu)化搜索模塊，基于該設(shè)計信息，通過計算模型進(jìn)行運(yùn)算處理，得到計算結(jié)果；以及輸出模塊，用于輸出該計算結(jié)果，其中，該計算結(jié)果包括人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和/或人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該優(yōu)化搜索模塊基于該計算模型，利用局部或全局最優(yōu)化算法對需要設(shè)計的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)可行解空間進(jìn)行最優(yōu)搜索，得到接近人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括模型建立模塊，該模型建立模塊包括設(shè)計子模塊，在選定的頻率范圍內(nèi)，對多個不同幾何參數(shù)的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的試驗(yàn)點(diǎn)的電磁特性進(jìn)行仿真測量，得到該人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的電磁響應(yīng)曲線；提取子模塊，將該電磁響應(yīng)曲線通過數(shù)學(xué)、統(tǒng)計或物理模型進(jìn)行描述，然后利用數(shù)理計算方法對該模型進(jìn)行參數(shù)估計，得到該電磁響應(yīng)曲線的特征參數(shù)；響應(yīng)建模子模塊，建立人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與電磁響應(yīng)曲線特征參數(shù)之間的數(shù)學(xué)或統(tǒng)計模型，利用該數(shù)學(xué)或統(tǒng)計模型，插值計算出該人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)任一給定的幾何參數(shù)所對應(yīng)的電磁響應(yīng)曲線特征參數(shù)，進(jìn)而得出該計算模型。本專利技術(shù)的有益效果是提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化和自動化程度較高的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和設(shè)計系統(tǒng)，降低了人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)難度，提高了設(shè)計效率，有利于人工電磁材料的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。附圖說明圖1是根據(jù)本專利技術(shù)人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的一個實(shí)施例的設(shè)計流程示意圖；圖2是根據(jù)本專利技術(shù)人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的一個實(shí)施例中的模型建立的設(shè)計流程示意圖；圖3是一種人工電池材料單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖4是本專利技術(shù)人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)實(shí)施例的模塊示意圖。具體實(shí)施例方式在圖1是本專利技術(shù)人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的一個優(yōu)選實(shí)施例設(shè)計流程示意圖。該設(shè)計方法主要包括輸入步驟S10、優(yōu)化搜索步驟S20以及輸出步驟S30。其中，輸入步驟SlO用于接收人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計信息；優(yōu)化搜索步驟S20基于該設(shè)計信息，通過計算模型進(jìn)行運(yùn)算處理，得到計算結(jié)果；輸出步驟S30用于輸出該計算結(jié)果，其中，人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計信息和計算結(jié)果均包括人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和/或人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)。此外，本設(shè)計方法還可包括模型建立步驟，該模型建立步驟進(jìn)一步包括設(shè)計子步驟S101、提取子步驟S102、響應(yīng)建模子步驟S103。具體如圖2所示。下文將結(jié)合圖1和圖2來進(jìn)行具體介紹。在設(shè)計子步驟SlOl中，主要是利用計算機(jī)仿真技術(shù)(如CST仿真技術(shù)，可以對面向3D的電磁場、微波電路和溫度場進(jìn)行設(shè)計)，在一定的頻率范圍內(nèi)，對若干不同幾何參數(shù)的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的電磁特性進(jìn)行測量，得到的這些人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的電磁響應(yīng)曲線，并可以存儲。具體包括以下過程首先，選擇一種特定的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖3中分別用幾何參數(shù)Hl、H2和Wl來描述該人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)，并且?guī)缀螀?shù)Hl、H2和Wl具有一定的數(shù)值取值范圍；然后，根據(jù)統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)設(shè)計原理，如正交試驗(yàn)設(shè)計原理，在幾何參數(shù)H1、H2和Wl的數(shù)值取值范圍內(nèi)選取不同試驗(yàn)點(diǎn)；接著，利用計算機(jī)仿真技術(shù)，獲得對這些試驗(yàn)點(diǎn)的在一定頻率范圍內(nèi)的電磁特性的仿真測量，并可以存儲所得電磁響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)。當(dāng)在設(shè)計子步驟SlOl中完成對不同試驗(yàn)點(diǎn)的電磁響應(yīng)曲線后，進(jìn)入提取子步驟S102。在提取子步驟S102中，首先，需要對這些電磁響應(yīng)曲線做前期處理，如對曲線進(jìn)行平滑處理，保證響應(yīng)數(shù)據(jù)具有實(shí)際物理意義；然后，選定一種用于描述這些經(jīng)過處理后的電磁響應(yīng)曲線的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計或物理模型，如針對于非諧振結(jié)構(gòu)的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)采用樣條回歸模型來描述電磁響應(yīng)曲線；接著，利用數(shù)理計算方法獲得選定模型的參數(shù)估計，如用優(yōu)化算法估計出樣條回歸模型中的參數(shù)，此參數(shù)稱為電磁響應(yīng)曲線特征參數(shù)。這樣，經(jīng)過設(shè)計子步驟SlOl和提取子步驟S102，在確定人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的幾何參數(shù)后,可以獲得這些人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)曲線特征參數(shù)，即在人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)樣本的幾何參數(shù)與電磁響應(yīng)曲線特征參數(shù)之間建立了映射關(guān)系。在響應(yīng)建模子步驟S103中，可以針對任一人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，獲得該人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計方法包括：輸入步驟，用于接收人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計信息；優(yōu)化搜索步驟，基于所述設(shè)計信息，通過計算模型進(jìn)行運(yùn)算處理，得到計算結(jié)果；以及輸出步驟，用于輸出所述計算結(jié)果，其中，所述計算結(jié)果包括人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和/或人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉若鵬，季春霖，劉斌，
申請(專利權(quán))人：深圳光啟高等理工研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：