面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化方法技术

本发明专利技术公开了一种面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化方法，该方法通过结合一套系统的可制造性验证算法和遗传算法，利用遗传算法的继承特性提高优化过程中生成具有可制造性的器件结构的可能性，然后利用可制造性验证算法在计算优化生成结构电磁响应之前验证该结构的可制造性，从而在确保生成的新结构具有可制造性时才对其进行电磁响应分析与验证，实现在保证电磁拓扑优化所生成的器件结构具有可制造性的同时提高电磁拓扑优化的效率。本发明专利技术能够始终保证拓扑优化后的电磁结构具有可制造性，可以避免优化过程中对不具有可制造性的器件进行重复的电磁响应计算，从而极大地加速了基于拓扑优化的微波器件设计过程。过程。过程。

【技术实现步骤摘要】
面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化方法


[0001]本专利技术属于微波器件设计
，具体涉及一种面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化方法。

技术介绍

[0002]微波器件设计通常依赖于电磁优化，目前常用的电磁优化方法分为三类：电磁几何优化、电磁形状优化和电磁拓扑优化。电磁几何优化是微波器件设计中的经典优化方法，其优化变量通常是一组给定的几何参数，例如微波器件结构的长度、宽度等。因此，电磁几何优化通常要求给定微波器件的初始结构布局。相比而言，电磁形状优化和电磁拓扑优化不需要给定微波器件的初始结构布局。电磁形状优化通过改变微波器件设计空间内物体的几何边界来优化器件的结构，因此，利用该方法能够获得不规则形状的电磁结构。然而，电磁形状优化不允许改变器件的拓扑结构，例如其无法改变设计空间内孔洞的数量。与前两种方法相比，电磁拓扑优化可以不受形状和拓扑的限制，在设计空间内搜索满足设计指标的最优电磁结构，具有更高的优化自由度和设计灵活性，能够生成复杂的、不规则的新型微波器件结构，是满足微波器件日益提高的设计需求的有效方法。
[0003]然而，由于电磁拓扑优化所获得的器件结构通常具有任意形式的形状和拓扑结构，使得拓扑优化得到的结构往往不具备可制造性。这个问题在三维微波器件的拓扑优化中更加显著，这是因为对三维微波器件进行电磁拓扑优化得到的结构中很可能存在悬浮于空中的材料结构。三维微波器件电磁拓扑优化所面临的这一挑战极大地限制了电磁拓扑优化技术在微波器件设计领域的应用。为了解决这一问题，现有的方法是通过在三维器件中填充介质材料以支撑悬空的材料。然而，这种方法会导致器件电磁响应的频移，并且会增加器件的制造成本。为了更有效地解决这一问题，需要研发更有效的新型电磁拓扑优化方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化方法，解决电磁拓扑优化得到的三维微波器件不具备可制造性的问题。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化方法，包括：
[0007]在电磁拓扑优化中，将三维微波器件的设计空间划分为若干个小单元，每个小单元的材料被定义为一个设计变量表示三维微波器件的设计空间内第j个矩形板的第m行n列的材料属性，和分别表示在第j个矩形板的第m行n列的单元填充材料是金属和非金属，j＝1，2
…
N
S
，m＝1，2
…
N
r
，n＝1，2
…
N
c
，N
S
表示组成设计空间的矩形板的数目，N
r
和N
c
分别表示每块矩形板所划分的行数和列数；
[0008]设计空间中第j个矩形板中金属和非金属的拓扑用矩阵φ
j
表示；S(φ1,
…
,φ
j
)表示三维微波器件电磁响应的S参数，其中设计空间中的金属和非金属拓扑由矩阵φ
j
表示；
定义C(φ
j
)为索引参数，用来表明在第j个矩形板上的所有金属单元是否都连接到波导外壁，即第j个矩形板是否可制造，其公式定义如下：
[0009][0010]面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化本质上是一个约束优化问题，表示为：
[0011][0012]其中，U是自定义目标函数，φ
j*
表示滤波器响应满足设计目标时的设计空间中第j个矩形板的最优拓扑优化的金属和非金属材料；
[0013]利用优化算法求解上述约束优化问题，获得具有可制造性的三维微波器件。
[0014]进一步的，可制造性验证方法包括：
[0015]用(m,n)表示设计空间中矩形板上第m行第n列单元的位置坐标，将位于矩形板边缘的单元定义为边缘单元，在所有边缘单元中位于拐角的四个单元为拐角单元；位于拐角处的单元连接两个单元，位于边缘但不在拐角的单元连接三个单元，既不在拐角也不在边缘的单元与四个单元相连；给定矩形板中任何单元的位置坐标，通过下式来找到与它相连的单元位置坐标：
[0016][0017]式中，(m
c
,n
c
)表示与(m,n)相连的单元位置坐标；
[0018]在第j个矩形板上所有的边缘单元中搜索金属单元，搜索过程中已查找过的单元会被标记；一旦找到第一个边缘金属单元，就通过公式(3)找到所有直接连在这个边缘金属单元上的其他单元的位置信息，在所有直接连接在第一个边缘金属单元上的其他单元中，搜索没有被标记的金属单元，然后利用公式(3)找到与该金属单元相连接的金属单元，这些单元以间接的方式也连接在第一个边缘金属单元上；循环往复，找到直接或间接连在第一个边缘金属单元上的所有金属单元；
[0019]在边缘单元中搜索下一个没有被标记的金属单元，利用同样的方法找到直接或间接连在这一个边缘金属单元上的所有金属单元，重复搜索直到标记完所有的边缘单元；在整个矩形板上检查未被标记的单元，若所有未被标记的单元中没有金属单元，则表明矩形板上的所有金属单元都直接或间接的连在边缘金属单元上，在这种情况下，所有的金属单元均与波导壁相连接，即C(φ
j
)＝1；若在所有未标记的单元中出现了金属单元，则说明这些金属单元并未连接在边缘金属单元上，即有一些金属单元没有连接在波导壁上，故C
(φ
j
)＝0。
[0020]进一步的，按照顺时针或逆时针方向在边缘单元中搜索下一个没有被标记的金属单元。
[0021]进一步的，边缘单元的行列位置坐标被表示为m＝1或m＝N
r
或n＝1或n＝N
c
；拐角单元的行列位置坐标被表示为(m,n)＝(1,1)或(m,n)＝(1,N
c
)或(m,n)＝(N
r
,1)或(m,n)＝(N
r
,N
c
)。
[0022]进一步的，矩阵V
Nr
×
Nc
用来记录单元是否被搜索过，以V
(m,n)
＝1和V
(m,n)
＝0分别表示第(m,n)单元已被查找过和未被查找过。
[0023]进一步的，利用遗传算法作为优化算法求解上述约束优化问题，包括：
[0024]随机生成一个包含N
s
*N
r
*N
c
个二进制元素的二进制向量，作为染色体；将该二进制向量改写为维度为N
s
个大小为N
r
×
N
c
的二进制矩阵，这些矩阵用来表示电磁结构中N
s
个矩形板的金属和非金属拓扑结构；
[0025]利用可制造性验证方法验证每个二进制矩阵，以检查相应矩形板上的所有金属单元是否连接在波导壁上；如果对于该本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化方法，其特征在于，包括：在电磁拓扑优化中，将三维微波器件的设计空间划分为若干个小单元，每个小单元的材料被定义为一个设计变量材料被定义为一个设计变量表示三维微波器件的设计空间内第j个矩形板的第m行n列的材料属性，和分别表示在第j个矩形板的第m行n列的单元填充材料是金属和非金属，j＝1，2
…
N
S
，m＝1，2
…
N
r
，n＝1，2
…
N
c
，N
S
表示组成设计空间的矩形板的数目，N
r
和N
c
分别表示每块矩形板所划分的行数和列数；设计空间中第j个矩形板中金属和非金属的拓扑用矩阵φ
j
表示；S(φ1,
…
,φ
j
)表示三维微波器件电磁响应的S参数，其中设计空间中的金属和非金属拓扑由矩阵φ
j
表示；定义C(φ
j
)为索引参数，用来表明在第j个矩形板上的所有金属单元是否都连接到波导外壁，即第j个矩形板是否可制造，其公式定义如下：面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化本质上是一个约束优化问题，表示为：其中，U是自定义目标函数，φ
j*
表示滤波器响应满足设计目标时的设计空间中第j个矩形板的最优拓扑优化的金属和非金属材料；利用优化算法求解上述约束优化问题，获得具有可制造性的三维微波器件。2.根据权利要求1所述的面向三维微波器件设计的可制造性约束电磁拓扑优化方法，其特征在于，可制造性验证方法包括：用(m,n)表示设计空间中矩形板上第m行第n列单元的位置坐标，将位于矩形板边缘的单元定义为边缘单元，在所有边缘单元中位于拐角的四个单元为拐角单元；位于拐角处的单元连接两个单元，位于边缘但不在拐角的单元连接三个单元，既不在拐角也不在边缘的单元与四个单元相连；给定矩形板中任何单元的位置坐标，通过下式来找到与它相连的单元位置坐标：式中，(m
c
,n
c
)表示与(m,n)相连的单元位置坐标；在第j个矩形板上所有的边缘单元中搜索金属单元，搜索过程中已查找过的单元会被标记；一旦找到第一个边缘金属单元，就通过公式(3)找到所有直接连在这个边缘金属单元
上的其他单元的位置信息，在所有直接连接在第一个边缘金属单元上的其他单元中，搜索没有被标记的金属单元，然后利用公式(3)找到与该金属单元相连接的金属单元，这些单元以间接的方式也连接在第一个边缘金属单元上；循环往复，找到直接或间接连在第一个边缘金属单元上的所有金属单元；在边缘单元中搜索下一个没有被标记的金属单元，利用同样的方法找到直接或间接连在这一个边缘金属单元上的所有金属单元，重复搜索直到标记完所有的边缘单元；在整个矩形板上检查未被标记的单元，若所有未被标记的单元中没有金属单元，则表明矩形板上的所有金属单元都直接或间接的连在边缘金属单元上，在这种情况下，所有的金属单元均与波导壁相连接，即C(φ
j
)＝1；若在所有未标记的单元中出现了金属单元，则说明这些金属单元并未连接在边缘金属单元上，即有一些金属单元没有连接在波导壁上，故C(φ
j
)＝0。3.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：金晶，张伟，林海，冯枫，杨艺琦，
申请(专利权)人：华中师范大学，
类型：发明
国别省市：