人工电磁材料单元结构的设计方法及设计系统技术方案

本发明专利技术公开了一种人工电磁材料单元结构设计方法。该方法包括输入步骤、优化搜索步骤以及输出步骤，通过以上步骤，本发明专利技术能够根据需要设计的人工电磁材料单元结构的目标电磁响应数据通过搜索得到人工电磁材料单元结构的最优几何参数解。该设计方法标准化、自动化程度高，降低了设计实现难度，有利于人工电磁材料的产业化应用。本发明专利技术还公开了一种人工电磁材料单元结构设计系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及人工电磁材料领域，特别是涉及人工电磁材料单元结构的设计方法及设计系统。
技术介绍
人工电磁材料，也称为超材料，是将具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料。简单来说，就是用有序的人造单元“粒子”代替自然界材料的分子或原子等基本粒子，所组成的一种等效材料。与传统意义材料相比，人工电磁材料的媒质特性取决于其基本单元结构和单元的空间分布。人们可以通过人为地设计单元结构来控制材料属性，构成自然界不存在的特殊结构材料，进而控制电磁波的传播特性。目前，对人工电磁材料的研究和设计尚处于初级阶段，主要凭借经验，人工进行设计和调节，缺乏标准化、自动化的设计方法以及计算机辅助设计手段，设计周期长、难度大，难以满足产业化应用的实际需求。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种人工电磁材料单元结构的设计方法和设计系统，能够为人工电磁材料单元结构设计提供一种快速、便利以及标准化的解决方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供的一个技术方案是该方法包括输入步骤，用于接收人工电磁材料单元结构设计信息；优化搜索步骤，基于该设计信息，通过计算模型进行运算处理，得到计算结果；以及输出步骤，用于输出该计算结果，其中，该计算结果包括人工电磁材料单元结构几何参数和/或人工电磁材料单元结构电磁响应数据。在一个优选实施例中，该人工电磁材料单元结构设计信息包括人工电磁材料单元结构几何参数和/或人工电磁材料单元结构电磁响应数据。在一个优选实施例中，在该优化搜索步骤中，基于该计算模型，利用局部或全局最优化算法对需要设计的人工电磁材料单元结构的几何参数可行解空间进行最优搜索，得到接近人工电磁材料单元结构电磁响应数据的人工电磁材料单元结构几何参数。在一个优选实施例中，该最优化算法包括遗传算法或粒子群优化算法。在一个优选实施例中，该方法还包括模型建立步骤，该模型建立步骤包括设计子步骤，在选定的频率范围内，对多个不同几何参数的人工电磁材料单元结构样本的试验点的电磁特性进行仿真测量，得到该人工电磁材料单元结构样本的电磁响应曲线；提取子步骤，将该电磁响应曲线通过数学、统计或物理模型进行描述，然后利用数理计算方法对该模型进行参数估计，得到该电磁响应曲线的特征参数；响应建模子步骤，建立人工电磁材料单元结构几何参数与电磁响应曲线特征参数之间的数学或统计模型，利用该数学或统计模型，插值计算出该人工电磁材料单元结构任一给定的几何参数所对应的电磁响应曲线特征参数，进而得出该计算模型。在一个优选实施例中，在该提取子步骤中，对该电磁响应曲线进行平滑处理，并通过样条回归模型对该电磁响应曲线进行描述。在一个优选实施例中，在该响应建模子步骤中，由该电磁响应曲线特征参数进一步计算得到该人工电磁材料单元结构的电磁响应曲线。本专利技术还提供一种人工电磁材料单元结构设计系统，该设计系统包括输入模块，用于接收人工电磁材料单元结构设计信息；优化搜索模块，基于该设计信息，通过计算模型进行运算处理，得到计算结果；以及输出模块，用于输出该计算结果，其中，该计算结果包括人工电磁材料单元结构几何参数和/或人工电磁材料单元结构电磁响应数据。在一个优选实施例中，该优化搜索模块基于该计算模型，利用局部或全局最优化算法对需要设计的人工电磁材料单元结构的几何参数可行解空间进行最优搜索，得到接近人工电磁材料单元结构电磁响应数据的人工电磁材料单元结构几何参数。在一个优选实施例中，该系统还包括模型建立模块，该模型建立模块包括设计子模块，在选定的频率范围内，对多个不同几何参数的人工电磁材料单元结构样本的试验点的电磁特性进行仿真测量，得到该人工电磁材料单元结构样本的电磁响应曲线；提取子模块，将该电磁响应曲线通过数学、统计或物理模型进行描述，然后利用数理计算方法对该模型进行参数估计，得到该电磁响应曲线的特征参数；响应建模子模块，建立人工电磁材料单元结构几何参数与电磁响应曲线特征参数之间的数学或统计模型，利用该数学或统计模型，插值计算出该人工电磁材料单元结构任一给定的几何参数所对应的电磁响应曲线特征参数，进而得出该计算模型。本专利技术的有益效果是提供了一种标准化和自动化程度较高的人工电磁材料单元结构设计方法和设计系统，降低了人工电磁材料单元结构设计实现难度，提高了设计效率，有利于人工电磁材料的进一步产业化应用。附图说明图1是根据本专利技术人工电磁材料单元结构设计方法的一个实施例的设计流程示意图；图2是根据本专利技术人工电磁材料单元结构设计方法的一个实施例中的模型建立的设计流程示意图；图3是一种人工电池材料单元结构的结构示意图；以及图4是本专利技术人工电磁材料单元结构设计系统实施例的模块示意图。具体实施例方式在图1是本专利技术人工电磁材料单元结构设计方法的一个优选实施例设计流程示意图。该设计方法主要包括输入步骤S10、优化搜索步骤S20以及输出步骤S30。其中，输入步骤SlO用于接收人工电磁材料单元结构设计信息；优化搜索步骤S20基于该设计信息，通过计算模型进行运算处理，得到计算结果；输出步骤S30用于输出该计算结果，其中，人工电磁材料单元结构设计信息和计算结果均包括人工电磁材料单元结构几何参数和/或人工电磁材料单元结构电磁响应数据。此外，本设计方法还可包括模型建立步骤，该模型建立步骤进一步包括设计子步骤S101、提取子步骤S102、响应建模子步骤S103。具体如图2所示。下文将结合图1和图2来进行具体介绍。在设计子步骤SlOl中，主要是利用计算机仿真技术(如CST仿真技术，可以对面向3D的电磁场、微波电路和温度场进行设计)，在一定的频率范围内，对若干不同几何参数的人工电磁材料单元结构样本的电磁特性进行测量，得到的这些人工电磁材料单元结构样本的电磁响应曲线，并可以存储。具体包括以下过程首先，选择一种特定的人工电磁材料单元结构样本的拓扑结构，如图3所示的人工电磁材料单元结构的结构示意图。在图3中分别用几何参数Hl、H2和Wl来描述该人工电磁材料单元结构，并且几何参数Hl、H2和Wl具有一定的数值取值范围；然后，根据统计实验设计原理，如正交试验设计原理，在几何参数H1、H2和Wl的数值取值范围内选取不同试验点；接着，利用计算机仿真技术，获得对这些试验点的在一定频率范围内的电磁特性的仿真测量，并可以存储所得电磁响应曲线数据。当在设计子步骤SlOl中完成对不同试验点的电磁响应曲线后，进入提取子步骤S102。在提取子步骤S102中，首先，需要对这些电磁响应曲线做前期处理，如对曲线进行平滑处理，保证响应数据具有实际物理意义；然后，选定一种用于描述这些经过处理后的电磁响应曲线的数学、统计或物理模型，如针对于非谐振结构的人工电磁材料单元结构采用样条回归模型来描述电磁响应曲线；接着，利用数理计算方法获得选定模型的参数估计，如用优化算法估计出样条回归模型中的参数，此参数称为电磁响应曲线特征参数。这样，经过设计子步骤SlOl和提取子步骤S102，在确定人工电磁材料单元结构样本的几何参数后,可以获得这些人工电磁材料单元结构的电磁响应曲线特征参数，即在人工电磁材料单元结构样本的几何参数与电磁响应曲线特征参数之间建立了映射关系。在响应建模子步骤S103中，可以针对任一人工电磁材料单元结构的几何参数，获得该人工电磁材料单元结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人工电磁材料单元结构设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：输入步骤，用于接收人工电磁材料单元结构设计信息；优化搜索步骤，基于所述设计信息，通过计算模型进行运算处理，得到计算结果；以及输出步骤，用于输出所述计算结果，其中，所述计算结果包括人工电磁材料单元结构几何参数和/或人工电磁材料单元结构电磁响应数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，季春霖，刘斌，
申请(专利权)人：深圳光启高等理工研究院，
类型：发明
国别省市：