[發明專利]具有非對稱傳輸特性的手性超材料結構及設計方法

有效

• 申請號: 202010735617.3
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111817013B
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發明（設計）人: 邱克鵬;駱越;張衛紅
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;H01Q15/24
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 華金

1.一種具有非對稱傳輸特性的手性超材料結構的設計方法，包括以下步驟：

步驟1：根據設計需要確定介質基板(1)的材料和尺寸以及具有周期構型的人工金屬結構的材料和尺寸；采用CST電磁仿真軟件計算得到與電磁波頻率相關的線性極化波的交叉極化透射系數：T_xy和T_yx；計算整個結構對線性極化波的非對稱傳輸系數：其中，x表示線性極化波的極化方向沿x方向，y表示線性極化波的極化方向沿y方向；

步驟2：定義單胞結構的初始設計域，包括以下子步驟：

步驟2.1：根據步驟1確定好介質基板及兩層人工金屬結構的材料和尺寸，由于整體結構具有周期性，故針對其單胞結構進行拓撲優化設計；定義每個單胞是邊長為a的正方形區域，其中人工金屬結構的設計區域是邊長為b的正方形區域，c為相鄰單元的間距，且a-b＝c；

步驟2.2：將b區域離散為n×n的正方形小方格，則表層人工金屬結構(2)和底層人工金屬結構(3)的小方格總數即為設計變量；將表層設計域沿中心軸方向平分為兩個部分，且這兩個部分以中心軸進行180°對稱旋轉，底層設計域經表層設計域繞空間分別旋轉90°得到，則表層及底層設計域共分為四個部分，且四個部分對應小方格的金屬材料分布相同，即設計變量的取值相等；

步驟2.3小方格具有固定的編號，在平面上具有固定的位置，其中四個部分中相同編號的方格具有相同的材料屬性，進行合并同類項；合并后，變為m個設計變量；

步驟3：由步驟2確定好初始設計域后，根據步驟1得到的非對稱傳輸系數的表達式，設計單胞結構的優化模型為：

maxA(x₁，x₂，...，x₁₈)＝||T_yx|²-|T_xy|²|

s.t.x_i＝0 or 1，12≤ω≤30Gz

設計變量x_i表示材料屬性，i＝1，2，...，n；

金屬以1表示，空氣以0表示，則將材料分布問題轉化為小方格取值為0或1進行優化；

步驟4：根據步驟3確定好單胞結構的優化模型后，開始按照優化模型進行拓撲優化設計過程；采用有限元積分法建立初始結構的等效電磁模型，運用CST電磁仿真軟件分析得到對應的交叉極化透射系數：T_xy和T_yx，通過交叉極化透射系數計算出當前結構的非對稱傳輸系數：根據步驟3確定好的優化模型，以單元區域的材料取值為設計變量，以非對稱傳輸系數的絕對值為優化目標函數，利用遺傳算法進行基于材料分布的拓撲優化設計，最終能夠得到具有良好非對稱傳輸現象的手性超材料單胞結構；

其中具有非對稱傳輸特性的手性超材料結構，包括若干相同的單胞結構；所述單胞結構包括介質基板(1)、表層人工金屬結構(2)和底層人工金屬結構(3)；表層人工金屬結構(2)位于介質基板(1)上表面，底層人工金屬結構(3)位于介質基板(1)下表面；

所述表層人工金屬結構(2)和底層人工金屬結構(3)均包含兩個L形變體金屬片，L形變體金屬片由相對兩邊分別為短邊和長邊的U形組成，表層人工金屬結構(2)的其中一個L形變體金屬片沿中心旋轉180°后與另一個L形變體金屬片重合；且兩個L形變體金屬片的短邊之間無間隙，

底層人工金屬結構(3)由表層人工金屬結構(2)經過與中心軸相互垂直的方向旋轉90°得到；所述介質基板(1)采用RogersRO4350材料；所述介質基板(1)厚度d的取值范圍為0.8mm≤d≤1.2mm；所述表層人工金屬結構(2)厚度t₁取值范圍為0.024mm≤t1，t₂≤0.048mm；所述底層人工金屬結構(3)的厚度t₂的取值范圍為0.024mm≤t₁，t₂≤0.048mm。