金属谐振层的设计方法及三频段宽带超表面能量收集器技术

本发明专利技术涉及能量收集装置技术领域，具体涉及一种金属谐振层的设计方法及三频段宽带超表面能量收集器。设计方法包括：S1.预设参数；S2.根据S1预设好的参数，在CST中生成除金属谐振层以外的结构；S3.以与中间介质层同轴的正方形作为金属谐振层的基础形状并划分为若干方格，采用0

【技术实现步骤摘要】
金属谐振层的设计方法及三频段宽带超表面能量收集器


[0001]本专利技术涉及能量收集装置
，尤其涉及一种金属谐振层的设计方法及三频段宽带超表面能量收集器。

技术介绍

[0002]超材料是一种由小型电谐振器构成的具有负磁导率和负介电常数的人工合成材料，具备自然材料所没有的超常物理性质，具有小型化、单位面积内高吸收效率的特点。基于电磁超材料的能量收集器是由超材料吸波器结构演变得到，其由若干周期单元组成，每个周期单元包括从上至下依次设置的金属谐振层、中间介质层和底层金属板，金属谐振层开设有圆形的金属通孔，金属通孔贯穿中间介质层到达底层金属板，底层金属板上同轴开设直径大于金属通孔的圆孔，圆孔与金属通孔通过电阻负载连接。
[0003]基于电磁超材料的能量收集器中，中间介质层和底层金属板一般设计为正方形，结构较为简单，设计较为容易，但金属谐振层一般设计的形状相对较为复杂，设计难度较大。现有金属谐振层一般通过模型设计、参数扫描和手工优化等步骤，需耗费大量人力与计算机资源；并且，人工设计的方式也容易使结构陷入局部最优，不能具备在该限定条件下最优的性能。

技术实现思路

[0004]为克服现有金属谐振层人工设计需耗费人力物力较大且易陷入局部最优的技术缺陷，本专利技术提供了一种金属谐振层的设计方法及三频段宽带超表面能量收集器。
[0005]本专利技术提供的金属谐振层的设计方法，包括如下步骤：
[0006]S1.预设：结构的目标谐振频段；中间介质层的材料、厚度；底层金属板和金属谐振层的材料、厚度；金属通孔位置及半径；
[0007]S2.根据S1预设好的参数，在CST中生成除金属谐振层以外的结构；
[0008]S3.以与中间介质层同轴的正方形作为金属谐振层的基础形状并划分为若干方格，采用0
‑
1矩阵进行描述，0表示空白，1表示方格被金属覆盖，在MATLAB中赋予金属谐振层初始种群数和最大迭代次数，随机生成初始种群，并根据所述初始种群生成代表金属谐振层的初始编码矩阵；
[0009]S4.结合步骤S2和步骤S3，在CST中构建电磁仿真模型；
[0010]S5.以目标频段的反射系数作为适应度函数并设定阈值，采用粒子群算法计算种群的最优值：通过CST
‑
MATLAB联合仿真，将目标频段的反射系数导入MATLAB中，计算粒子的适应度，若满足适应度函数阈值则结束循环，此时对应的种群为最优值；若不满足适应度函数阈值则根据粒子群算法更新每个粒子的速度和位置，再次进行电磁仿真，并计算粒子适应度，如此循环迭代，直至满足适应度函数阈值，此时对应的种群为最优值；
[0011]S6.以步骤S5确定的种群的最优值在CST中生成金属谐振层，完成设计。
[0012]可选的，在步骤S3中，首先将金属谐振层以正方形作为基本图形，并将正方形的两
条中线为基线分割为四个目标单元，将单个目标单元划分为若干方格进行设计；经过步骤S4和步骤S5确定种群最优值后，分别以两条中线为对称轴两次对称设计得到整个金属谐振层。
[0013]本专利技术提供的三频段宽带超表面能量收集器，由若干周期单元组成，所述周期单元包括：
[0014]金属谐振层，包括边框和四个L型条，所述边框围成正方形，四个所述L型条分别与所述边框的四个角围成正方形空隙，四个所述L型条之间形成位于所述金属谐振层中心处的十字空隙，所述边框的四个角部开设有金属通孔；
[0015]中间介质层，其位于所述金属谐振层的下方，所述中间介质层的平行于所述金属谐振层的截面为正方形，所述截面与所述金属谐振层同轴，所述截面的边与所述金属谐振层的边分别平行，所述截面的边长大于所述金属谐振层的边长；
[0016]底层金属板，其位于所述中间介质层的下方，所述底层金属板的板面形状和板面大小皆与所述截面相同，所述底层金属板的板面与所述截面同轴，所述底层金属板的边与所述截面的边分别平行，所述底层金属板的四个角部开设有圆孔，所述圆孔与所述金属通孔同轴，所述圆孔的直径大于所述金属通孔的直径，所述金属通孔贯穿所述中间介质层并延伸至所述圆孔内，所述金属通孔的孔壁通过电阻负载与所述圆孔的孔壁连接。
[0017]可选的，所述边框的单边长度为19.2mm、宽度为0.6mm，所述L型条的宽度为1.2mm，所述十字空隙的宽度为1.2mm，所述中间介质层的材料为F4B、厚度为5.5mm，所述底层金属板和金属谐振层的材料为铜、厚度为0.035mm；所述金属通孔的圆心与所述金属谐振层的中心处相距9.1mm，所述金属通孔的半径为0.12mm。
[0018]本专利技术提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0019]本专利技术提供的金属谐振层的设计方法，采用粒子群算法，通过CST
‑
MATLAB联合仿真实现金属谐振层的自动设计，相对于人工设计的方式而言，省略了模型设计、参数扫描和手工优化等步骤，节省了大量的人力和计算机资源；并且，本设计方法所采用的粒子群算法在迭代初期具有较强的全局搜索能力，能够有效的避免局部最优问题的产生。
附图说明
[0020]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为本专利技术所述三频段宽带超表面能量收集器的整体示意图；
[0023]图2为本专利技术所述金属谐振层的结构示意图；
[0024]图3为本专利技术所述底层金属板的结构示意图
[0025]图4是本专利技术反射系数曲线S
11
示意图；
[0026]图5是本专利技术在横电波和横磁波情况下能量收集效率曲线；
[0027]图6是本专利技术吸收效率与负载收集效率对比示意图；
[0028]图7至图9是本专利技术在三个频段下超表面的等效阻抗相对自由空间阻抗归一化示
意图；
[0029]图10至图13是本专利技术在电磁波15
°‑
60
°
斜入射时横电波和横磁波的能量收集效率曲线。
[0030]其中：
[0031]1、金属谐振层；11、边框；12、L型条；13、正方形空隙；14、十字空隙；2、金属通孔；3、中间介质层；4、底层金属板；41、圆孔；5、电阻负载。
具体实施方式
[0032]为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面将对本专利技术的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本专利技术的一部分实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属谐振层的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.预设：结构的目标谐振频段；中间介质层（3）的材料、厚度；底层金属板（4）和金属谐振层（1）的材料、厚度；金属通孔（2）位置及半径；S2.根据S1预设好的参数，在CST中生成除金属谐振层（1）以外的结构；S3.以与中间介质层（3）同轴的正方形作为金属谐振层（1）的基础形状并划分为若干方格，采用0
‑
1矩阵进行描述，0表示空白，1表示方格被金属覆盖，在MATLAB中赋予金属谐振层（1）初始种群数和最大迭代次数，随机生成初始种群，并根据所述初始种群生成代表金属谐振层（1）的初始编码矩阵；S4.结合步骤S2和步骤S3，在CST中构建电磁仿真模型，获取目标频段的反射系数；S5.以目标频段的反射系数作为适应度函数并设定阈值，采用粒子群算法计算种群的最优值：通过CST
‑
MATLAB联合仿真，将目标频段的反射系数导入MATLAB中，计算粒子的适应度，若满足适应度函数阈值则结束循环，此时对应的种群为最优值；若不满足适应度函数阈值则根据粒子群算法更新每个粒子的速度和位置，再次进行电磁仿真，并计算粒子适应度，如此循环迭代，直至满足适应度函数阈值，此时对应的种群为最优值；S6.以步骤S5确定的种群的最优值在CST中生成金属谐振层（1），完成设计。2.根据权利要求1所述的金属谐振层的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，首先将金属谐振层（1）以正方形作为基本图形，并将正方形的两条中线为基线分割为四个目标单元，将单个目标单元划分为若干方格进行设计；经过步骤S4和步骤S5确定种群最优值后，分别以两条中线为对称轴两次对称设计得到整个金属谐振层（1）。3.一种三频段宽带超表面能量收集器，由若干周期单元组...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢刚，刘彦，赵文晶，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：