[發(fā)明專利]電磁超材料單元的設(shè)計(jì)方法及其裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711209625.9
• 申請(qǐng)日: 2017-11-27
• 公開（公告）號(hào): CN107967386A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱慧;黃震宇;趙春宇;羅旭東;朱森林;洪振翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31236
• 代理人: 莊文莉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電磁超材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用自動(dòng)化搜索算法優(yōu)化超材料的材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

電磁超材料是一種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，它通過人工設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)，如負(fù)磁導(dǎo)率，負(fù)介電常數(shù)，負(fù)折射率等。電磁超材料應(yīng)用廣泛，在智能家居，公共設(shè)施，交通及工業(yè)傳感器等多個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，將成為未來極具潛力的新技術(shù)。

在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)超材料諧振頻率和電磁特性的需求不同。不同應(yīng)用系統(tǒng)都需要定制與之相匹配的超材料。因此，針對(duì)超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法在超材料研究中具有重要的意義。

然而，現(xiàn)有超材料特性的獲取方法復(fù)雜，超材料的設(shè)計(jì)參數(shù)與電磁特性之間沒有可靠的解析公式，無法進(jìn)行定量計(jì)算和設(shè)計(jì)。目前，主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并通過反復(fù)且大量的數(shù)值計(jì)算仿真來修正參數(shù)以達(dá)到所需要的性能。然而，對(duì)于大部分結(jié)構(gòu)形式的電磁超材料，需要調(diào)整的設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法具有一定局限性，所能達(dá)到的精度有限。另一方面，這種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在調(diào)整眾多參數(shù)時(shí)效率低，耗時(shí)長(zhǎng)。這種方法消耗了較高的設(shè)計(jì)成本，卻不能達(dá)到高精度的設(shè)計(jì)結(jié)果。近年來，也有一些研究提出通過自動(dòng)化搜索算法實(shí)現(xiàn)電磁超材料的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，專利文獻(xiàn)(CN103136389B，CN103136390B，CN102682160B)中公開的電磁超材料設(shè)計(jì)方法直接套用粒子群，進(jìn)化差分等經(jīng)典搜索算法，對(duì)所有參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。這些方法雖然最終能得到基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果，但需要的設(shè)計(jì)時(shí)間仍然較長(zhǎng)，尤其對(duì)于需要精細(xì)化設(shè)計(jì)的情況，設(shè)計(jì)時(shí)間將成倍增長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種更高效，更精確的電磁超材料單元的設(shè)計(jì)方法及其裝置。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：建立仿真模型，通過一種分步算法對(duì)不同靈敏度的參數(shù)進(jìn)行分類處理：先優(yōu)化靈敏度大的參數(shù)，進(jìn)行粗略設(shè)計(jì)，再優(yōu)化靈敏度小的參數(shù)，完成細(xì)節(jié)處理。本發(fā)明提供的方法可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)精度的需求，實(shí)現(xiàn)更高效更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于設(shè)計(jì)精度較高的問題，很大程度上節(jié)約了時(shí)間成本。

本發(fā)明提供一種電磁超材料單元的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟S1，對(duì)選定的電磁超材料結(jié)構(gòu)建立仿真模型；

步驟S2，分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)仿真模型中電磁超材料特性的影響；

步驟S3，根據(jù)影響優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

優(yōu)選地，步驟S1包括：

步驟S1.1，獲取設(shè)計(jì)目標(biāo)F_t及設(shè)計(jì)精度ΔF；

步驟S1.2，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)F_t構(gòu)建設(shè)計(jì)參數(shù)空間；

步驟S1.3，對(duì)需要優(yōu)化的電磁超材料結(jié)構(gòu)建立仿真模型。

優(yōu)選地，步驟S2包括：

步驟S2.1，在設(shè)計(jì)參數(shù)空間內(nèi)，分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)仿真模型中電磁超材料特性的影響；

步驟S2.2，根據(jù)影響對(duì)需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分類。

優(yōu)選地，設(shè)計(jì)參數(shù)的分類包括重要設(shè)計(jì)參數(shù)及次要設(shè)計(jì)參數(shù)。

優(yōu)選地，重要設(shè)計(jì)參數(shù)包括重要單調(diào)性設(shè)計(jì)參數(shù)及重要非單調(diào)性設(shè)計(jì)參數(shù)；

次要設(shè)計(jì)參數(shù)包括次要單調(diào)性設(shè)計(jì)參數(shù)及次要非單調(diào)性設(shè)計(jì)參數(shù)。

優(yōu)選地，步驟S3包括：

步驟S3.1，選定一組重要設(shè)計(jì)參數(shù)及次要設(shè)計(jì)參數(shù)的初始值；

步驟S3.2，保持選定的次要設(shè)計(jì)參數(shù)初始值不變，通過具有方向性擾動(dòng)的搜索算法優(yōu)化重要設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得優(yōu)化的重要設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果；

步驟S3.3，判斷獲得的優(yōu)化的重要設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)精度ΔF的要求；

若已滿足設(shè)計(jì)精度ΔF的要求，則進(jìn)入第一輸出步驟；

若不滿足設(shè)計(jì)精度ΔF的要求，則進(jìn)入步驟S3.4；

步驟S3.4，保持已優(yōu)化完畢的重要設(shè)計(jì)參數(shù)不變，通過具有方向性擾動(dòng)的搜索算法優(yōu)化次要設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得優(yōu)化的次要設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果，進(jìn)入第二輸出步驟；

第一輸出步驟，輸出優(yōu)化后的重要設(shè)計(jì)參數(shù)及初始的次要設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果；

第二輸出步驟，輸出優(yōu)化后的重要設(shè)計(jì)參數(shù)及優(yōu)化后的次要設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果。

優(yōu)選地，步驟S3.2和步驟S3.4中的具有方向性擾動(dòng)的搜索算法包括：

初始化；

隨機(jī)獲得新的重要或次要非單調(diào)性設(shè)計(jì)參數(shù)，并計(jì)算新重要或次要非單調(diào)性設(shè)計(jì)參數(shù)下的目標(biāo)函數(shù)值F₁，其中，目標(biāo)函數(shù)值F₁滿足：