CN102999648B - 人工电磁材料单元结构的设计方法及设计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明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。本发明还公开了一种人工电磁材料单元结构设计系统。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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，本发明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。
本发明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。
本发明的有益效果是：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是根据本发明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是根据本发明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是本发明人工电磁材料单元结构设计系统实施例的模块示意图。
具体实施方式
在图1是本发明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S10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S101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H1、H2和W1来描述该人工电磁材料单元结构，并且几何参数H1、H2和W1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W1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S101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S101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的电磁响应曲线。具体过程如下：首先，选定一种用于描述人工电磁材料单元结构几何参数与人工电磁材料单元结构电磁响应曲线特征参数之间映射关系的数学或统计模型，如样条回归模型；然后，利用选定的数学或统计模型，对于给定的任一人工电磁材料单元结构几何参数，插值计算出该人工电磁材料单元结构所对应的电磁响应曲线特征参数；如上所述，在提取子步骤S102中，可以利用数理计算方法由电磁响应曲线获得电磁响应曲线特征参数，在响应建模子步骤S103中，当得到人工电磁材料单元结构所对应的电磁响应曲线特征参数后，可以按照提取子步骤S102中的方法进行反推，获得该人工电磁材料单元结构所对应的电磁响应曲线。从而实现了在已知任一人工电磁材料单元结构的几何参数的情况下，能够设计得到该人工电磁材料单元结构的电磁响应曲线。通过响应建模子步骤，可以建立后续优化搜索步骤S20所使用的计算模型。
在优化搜索步骤S20中，主要基于模型建立步骤所建立的计算模型进行计算。首先，选择一种特定的人工电磁材料单元结构的拓扑结构，并给定一个初始的几何参数值，经由响应建模子步骤S103得到该人工电磁材料单元结构的电磁响应曲线；然后将该电磁响应曲线与目标电磁响应曲线进行比较，这里所谓目标电磁响应曲线是指设计要求希望实现的电磁响应曲线，在设计过程中完全实现设计要求是难以做到的，往往是尽可能逼近设计要求，因此就需要评价设计得到的电磁响应曲线与目标电磁响应曲线之间的差异，差异越小说明越接近目标电磁响应特性，可以通过定义评价函数的方法来比较这种差异，并用评价函数值反映差异度，例如评价函数值越大表明差异度越小，也就越接近设计要求；这样，每改变一次人工电磁材料单元结构几何参数就可以得到相应的电磁响应曲线，然后用定义的评价函数去比较该电磁响应曲线与目标电磁响应曲线之间的差异度，经过多次改变和比较后，找到差异度最小值，该值对应的人工电磁材料单元结构几何参数就是最优设计结果。此过程也即对人工电磁材料单元结构几何参数可行解空间的最优搜索，而对几何参数改变的方法可以是局部或全局最优化算法，如遗传算法或粒子群优化算法。
在图1所示的本发明实施例中，经过提取子步骤S102和响应建模子步骤S103，可建立起人工电磁材料单元结构几何参数空间与人工电磁材料电磁特性空间的映射关系，使得当指定人工电磁材料单元结构任一尺寸时，可立即得到该尺寸下此单元结构对应的电磁特性，无需花费时间进行人工电磁材料单元结构电磁特性测量。此外，优化搜索步骤S20可快速的搜索到满足特定电磁特性的单元结构。因此，本发明实施例提供了一种人工电磁材料单元结构的快速设计方法，利于人工电磁材料的推广普及。
图4是本发明人工电磁材料单元结构设计系统的一优选实施例。该设计系统包括输入单元31，优化搜索单元32和输出单元33。输入单元31用于接收人工电磁材料单元结构的设计数据，例如人工电磁材料单元结构几何参数、人工电磁材料单元结构电磁响应曲线或/和人工电磁材料单元结构的目标电磁响应曲线等，输入方式可以是文档输入、键盘输入、鼠标输入或其它外围设备输入。优化搜索单元32用于对输入单元31接收的设计数据进行建模计算，将由输入单元31输入的电磁响应曲线建模计算得到该电磁响应曲线特征参数；优化搜索单元32可通过计算模型分别得到人工电磁材料单元结构电磁响应曲线和/或人工电磁材料单元结构几何参数。输出单元33，用于将优化搜索单元32的计算结果输出，例如输出人工电磁材料单元结构电磁响应曲线或人工电磁材料单元结构几何参数或电磁响应数据，输出方式可以是屏幕显示、文档输出、打印机输出、语音输出、掩膜输出等。
在图4所示的本发明人工电磁材料单元结构设计系统的优选实施例中，还可以进一步包括还包括数据库单元，用于组织、存储和管理设计数据和计算结果；以及调度单元，用于对输入单元31、优化搜索单元32、输出单元33进行调度和协调。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一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、优化搜索步骤、模型建立步骤和输出步骤；
所述输入步骤用于接收人工电磁材料单元结构设计信息；
所述模型建立步骤包括：
设计子步骤，在选定的频率范围内，对所述人工电磁材料单元的多个不同几何参数的结构样本的试验点的电磁特性进行仿真测量，得到所述人工电磁材料单元结构样本的电磁响应曲线；
提取子步骤，对所述电磁响应曲线进行平滑处理，并通过样条回归模型对所述电磁响应曲线进行描述，将所述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所述模型进行参数估计，得到所述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，利用所述数学或统计模型，插值计算出所述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，进而得出计算模型；
所述优化搜索步骤，基于所述设计信息，通过所述计算模型进行运算处理，得到计算结果；
所述输出步骤，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。
2.根据权利要求1所述的人工电磁材料单元结构设计方法，其特征在于：所述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。
3.根据权利要求1所述的人工电磁材料单元结构设计方法，其特征在于：在所述优化搜索步骤中，基于所述计算模型，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。
4.根据权利要求3所述的人工电磁材料单元结构设计方法，其特征在于：所述最优化算法包括遗传算法或粒子群优化算法。
5.根据权利要求1所述的人工电磁材料单元结构设计方法，其特征在于：在所述响应建模子步骤中，由所述电磁响应曲线特征参数进一步计算得到所述人工电磁材料单元结构的电磁响应曲线。
6.一种人工电磁材料单元结构设计系统，其特征在于：所述设计系统包括：输入模块、模型建立模块、优化搜索模块和输出模块；
所述输入模块，用于接收人工电磁材料单元结构设计信息；
所述模型建立模块包括：
设计子模块，在选定的频率范围内，对所述人工电磁材料单元的多个不同几何参数的结构样本的试验点的电磁特性进行仿真测量，得到所述人工电磁材料单元结构样本的电磁响应曲线；
提取子模块，对所述电磁响应曲线进行平滑处理，并通过样条回归模型对所述电磁响应曲线进行描述，将所述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所述模型进行参数估计，得到所述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，利用所述数学或统计模型，插值计算出所述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，进而得出计算模型；
所述优化搜索模块，基于所述设计信息，通过所述计算模型进行运算处理，得到计算结果；
所述输出模块，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。
7.根据权利要求6所述的人工电磁材料单元结构设计系统，其特征在于：所述优化搜索模块基于所述计算模型，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。
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Application publication date: 20130327 Assignee: Shenzhen Guangqi metamaterials Technology Co. Ltd. Assignor: Shenzhen Guangqi Hezhong Technology Co., Ltd. Contract record no.: 2017440020031 Denomination of invention: Design method and design system of artificial electromagnetic material unit structure Granted publication date: 20150527 License type: Exclusive License Record date: 20170426 |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20210209 Address after: 2 / F, software building, No.9, Gaoxin Zhongyi Road, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY Address before: 518000 Guangdong, Shenzhen, Nanshan District, Nanhai Road, West Guangxi Temple Road North Sunshine Huayi Building 1 15D-02F Patentee before: SHEN ZHEN KUANG-CHI HEZHONG TECHNOLOGY Ltd. |