CN107704673B - 宽带编码超材料快速设计方法 - Google Patents

宽带编码超材料快速设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107704673B
CN107704673B CN201710880474.3A CN201710880474A CN107704673B CN 107704673 B CN107704673 B CN 107704673B CN 201710880474 A CN201710880474 A CN 201710880474A CN 107704673 B CN107704673 B CN 107704673B
Authority
CN
China
Prior art keywords
metamaterial
coding
coding sequence
unit structure
optimizing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201710880474.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107704673A (zh
Inventor
马华
随赛
屈绍波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Force Engineering University of PLA
Original Assignee
Air Force Engineering University of PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Force Engineering University of PLA filed Critical Air Force Engineering University of PLA
Priority to CN201710880474.3A priority Critical patent/CN107704673B/zh
Publication of CN107704673A publication Critical patent/CN107704673A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107704673B publication Critical patent/CN107704673B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/12—Computing arrangements based on biological models using genetic models
    • G06N3/126—Evolutionary algorithms, e.g. genetic algorithms or genetic programming

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了宽带编码超材料快速设计方法，涉及新型人工电磁材料技术领域，该方法基于相对低Q值超材料单元结构，通过非线性拟合的方法，在不需要通过大规模电磁仿真软件计算的前提下，实现结构单元尺寸与电磁响应关系的描述，借助优化算法，可以快速设计出具有宽带宽均匀相移的超材料结构单元，节约了计算资源和计算时间。进而，通过优化算法优化结构单元的排列，及编码超材料的编码序列，即可实现具有异常反射、聚焦、波束调控和RCS缩减等特性的宽带宽编码超材料。本发明通过两级优化操作，能够快速实现编码超材料的设计，具有易操作、易实现的特点，在编码超材料工程化设计和应用方面具有重要意义。

Description

宽带编码超材料快速设计方法
技术领域
本发明涉及新型人工电磁材料技术领域，特别是涉及一种宽带编码超材料快速设计方法，可用于编码超材料的工程化设计和应用，应用范围涉及隐身、雷达探测和电磁散射。
背景技术
电磁编码超材料，是相对于传统的模拟超材料而言的，以一种数字编码的方式来简化单元的设计，能够实现对电磁波调控的简单高效办法。现有的编码超材料，通过对超材料结构单元的设计和优化，利用其电磁谐振特性实现对入射电磁波的相位进行调控。常见的编码超材料为1比特编码，其基本单元为反射相位相差180度的超材料结构单元，分别用“0”和“1”两个编码表示，根据远场计算公式和编码序列的合理设计，可以实现对入射电磁波的精准调控。因此通过设计具有低吸收、不同反射相移的单元，加以利用合理编码序列设计，即可实现电磁波散射方向图的调控，这种电磁波调控的方式类似于漫反射，因此电磁编码超材料常被用于缩减目标雷达散射截面(RCS)。而具有宽带响应的特定相移超材料结构单元设计和编码序列设计，需要借助电磁仿真软件，因此消耗巨大的计算机资源和计算时间，降低了电磁超材料的设计和实用效率。
发明内容
本发明实施例提供了宽带编码超材料快速设计方法，可以解决现有技术中存在的问题。
一种宽带编码超材料快速设计方法，所述方法包括两个阶段：单元结构优化设计阶段和编码序列优化阶段；单元结构优化设计阶段具体流程为：
选择低Q值单元结构，对低Q值单元结构的结构参数进行非线性拟合，得到拟合曲线后进行实数编码，获得编码序列，最后使用遗传算法对编码序列进行优化，得到优化后的实数编码序列；
编码序列优化阶段具体流程为：
对单元结构优化设计阶段得到的优化后的实数编码序列进行二进制编码，然后对得到的二进制编码序列使用遗传算法进行优化，最终得到优化后的二进制编码序列，即具有低RCS特性的编码序列。
优选地，单元结构优化设计阶段中选择的低Q值单元结构由金属背板、介质基板和表面金属贴片组成，所述表面金属贴片为十字架结构，所述表面金属贴片的结构参数由x调控，具体关系为f(x)＝1/(5*exp(-x))。
优选地，编码序列优化阶段中对所述编码超材料的编码序列采用天线阵列因子公式，对该编码超材料反射电磁波进行表征，在入射波为平面波的激励下，实现了后向RCS缩减10dB以上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明规避了传统采用等效媒质参数的超材料的设计和分析方案，采用离散的数字编码和非线性拟合的形式，避免了大规模仿真计算，更加简洁和高效地分析和设计超材料结构单元。
2、本发明利用一种十字架结构作为超材料基本单元，具有结构简单和旋转对称特点，因此该结构对入射电磁波表现为极化不敏感特性。
3、与传统的优化方法相比，本发明通过实数和二进制编码遗传算法，二者相结合的“两级”优化方案，可实现快速设计，并可实现并行计算。
4、本发明采用印刷电路板工艺，易于加工实现，故可实现微波波段的工程化应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是具有相对低Q值的超材料单元结构：(a)正视图和三维图；(b)所设计的编码单元“0”和“1”对应的Q值；
图2是超材料单元结构参数和反射相位之间的关系(非线性拟合的结果)；
图3是通过实数编码遗传算法优化所得的编码单元“0”和“1”的反射幅度和相位；
图4是利用实数编码和二进制编码遗传算法的“两级”优化流程图；
图5是编码序列优化进程图；
图6是优化后的宽带编码超材料示意图和其对应的编码序列；
图7是利用MATLAB和CST Microwave Studio仿真得到的金属和宽带编码超材料RCS图，(a)-(c)分别是金属MATLAB计算三维RCS、二维RCS和全波仿真三维RCS；(d)-(f)分别是编码超材料MATLAB计算三维RCS、二维RCS和全波仿真三维RCS；
图8是(a)加工样品照片；(b)测试环境照片；(c)金属和宽带编码超材料的RCS测试结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，为本发明实施例中使用的较低Q值的超材料单元结构，该结构为经典的三层结构，由金属背板、介质基板和表面金属贴片组成，本实施例中的表面金属贴片为十字架结构，图1中(a)给出了超材料结构单元的三维示意图和表面金属贴片的正视图，所述表面金属贴片的结构参数由x调控，具体关系为f(x)＝1/(5*exp(-x))，x∈[0,b]，(b)给出了该单元结构的Q值，因此较低的Q值在实现宽带宽相位差的同时，还可以覆盖尽可能宽(大于180度)的相移。
由于该单元具有相对低Q值的特征，因此反射相位变化相对缓和，可以利用非线性拟合的方式，表征单元结构参数变换对反射相位的影响。图2给出了不同频率下反射相位和结构参数之间的关系，二者吻合度较高，表现出线性拟合的可行性。
图3是所设计的编码单元“0”和“1”的反射相位和反射幅度，从图中可以看出，二者具有低损耗和宽带宽的特点，二者之间的相位差满足180±37度的基本要求，在12-24GHz频段内，这为后续编码超材料的涉及提供了基础。
图4是本发明提供的宽带编码超材料快速设计方法的流程图，采用实数编码和二进制编码相结合的“两级”遗传算法进行优化设计。所述方法包括两个阶段：单元结构优化设计阶段和编码序列优化阶段；单元结构优化设计阶段具体流程为：
选择低Q值单元结构，对低Q值单元结构的结构参数进行非线性拟合，得到拟合曲线后进行实数编码，获得编码序列，最后使用遗传算法对编码序列进行优化，得到优化后的实数编码序列。
该阶段可以快速表征结构参数和反射相位之间的关系，以设计出具有带宽宽、低损耗、相位差180±37度的超材料单元。
编码序列优化阶段具体流程为：
对单元结构优化设计阶段得到的优化后的实数编码序列进行二进制编码，然后对得到的二进制编码序列使用遗传算法进行优化，最终得到优化后的二进制编码序列，即具有低RCS特性的编码序列。
所述的编码超材料的编码序列，采用天线阵列因子公式，对该超材料反射电磁波进行表征，在入射波为平面波的激励下，实现了后向RCS缩减10dB以上。
其中使用到的遗传算法主要包括：生成初始种群、适应度值计算、锦标赛选择、精英保留、随机交叉、均匀变异等操作，其为本领域常用的算法，本发明不做详细介绍。
图5是在编码序列优化阶段，适应度值(反映远场散射特性，越小RCS缩减越好)随优化进程的变化图。从图中可以看出，合理的编码序列设计可以实现较好的RCS缩减效果。
经过优化设计得到的宽带编码超材料如图6中(a)所示，(b)为对应的编码序列图。图7是利用MATLAB和CST Microwave Studio仿真得到的金属和宽带编码超材料RCS图，(a)-(c)分别是金属MATLAB计算三维RCS、二维RCS和全波仿真三维RCS；(d)-(f)分别是编码超材料MATLAB计算三维RCS、二维RCS和全波仿真三维RCS。从图中可以看出，编码超材料相对于金属实现了反射波的远场调控，法向方向RCS得到有效缩减。
图8是实验加工及测试图，该试验样品采用2mm厚F4B，金属层为0.017mm的铜，整板尺寸为160×160mm2。从图中结果可以看出，相对于金属，编码超材料有效实现了RCS的缩减效果，图中曲线出现的误差主要俩源于测试环境背景噪声和实验台的散射，以及加工误差等。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种宽带编码超材料快速设计方法，其特征在于，所述方法包括两个阶段：单元结构优化设计阶段和编码序列优化阶段；单元结构优化设计阶段具体流程为：
选择低Q值单元结构，对低Q值单元结构的结构参数进行非线性拟合，得到拟合曲线后进行实数编码，获得编码序列，最后使用遗传算法对编码序列进行优化，得到优化后的实数编码序列；
编码序列优化阶段具体流程为：
对单元结构优化设计阶段得到的优化后的实数编码序列进行二进制编码，然后对得到的二进制编码序列使用遗传算法进行优化，最终得到优化后的二进制编码序列，即具有低RCS特性的编码序列。
2.如权利要求1所述的宽带编码超材料快速设计方法，其特征在于，单元结构优化设计阶段中选择的低Q值单元结构由金属背板、介质基板和表面金属贴片组成，所述表面金属贴片为十字架结构，所述表面金属贴片的结构参数由x调控，具体关系为f(x)＝1/(5*exp(-x))。
3.如权利要求1所述的宽带编码超材料快速设计方法，其特征在于，编码序列优化阶段中对所述编码超材料的编码序列采用天线阵列因子公式，对该编码超材料反射电磁波进行表征，在入射波为平面波的激励下，实现了后向RCS缩减10dB以上。
CN201710880474.3A 2017-09-26 2017-09-26 宽带编码超材料快速设计方法 Expired - Fee Related CN107704673B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710880474.3A CN107704673B (zh) 2017-09-26 2017-09-26 宽带编码超材料快速设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710880474.3A CN107704673B (zh) 2017-09-26 2017-09-26 宽带编码超材料快速设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107704673A CN107704673A (zh) 2018-02-16
CN107704673B true CN107704673B (zh) 2021-01-15

Family

ID=61176017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710880474.3A Expired - Fee Related CN107704673B (zh) 2017-09-26 2017-09-26 宽带编码超材料快速设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107704673B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108733924B (zh) * 2018-05-21 2022-05-10 东南大学 一种数字编码超材料单元的智能化设计方法
CN110098481B (zh) * 2019-04-10 2021-06-08 湖北汽车工业学院 基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线
CN111581825B (zh) * 2020-05-09 2022-03-29 清华大学 基于贝叶斯协同优化算法的超材料设计方法及相关设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7847739B2 (en) * 2006-08-25 2010-12-07 Rayspan Corporation Antennas based on metamaterial structures
CN103020328A (zh) * 2011-09-20 2013-04-03 深圳光启高等理工研究院 小天线优化设计方法
CN103164554A (zh) * 2011-12-14 2013-06-19 深圳光启高等理工研究院 一种确定超材料单元结构的方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2796200C (en) * 2010-04-13 2021-02-16 University Court Of The University Of St Andrews Quadratic measure eigenmodes

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7847739B2 (en) * 2006-08-25 2010-12-07 Rayspan Corporation Antennas based on metamaterial structures
CN103020328A (zh) * 2011-09-20 2013-04-03 深圳光启高等理工研究院 小天线优化设计方法
CN103164554A (zh) * 2011-12-14 2013-06-19 深圳光启高等理工研究院 一种确定超材料单元结构的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Symmetry-based coding method and synthesis topology optimization design of ultra-wideband polarization conversion metasurfaces;Sui S ET AL;《Applied Physics Letters》;20160708;全文 *
基于加权实数编码遗传算法的超材料优化设计;常红伟等;《物理学报》;20140831;全文 *
遗传算法在超材料优化设计中的应用及实现;常红伟等;《空军工程大学学报》;20140331;全文 *
阵列综合与天线雷达截面控制技术研究;王夫蔚;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20160315;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107704673A (zh) 2018-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Koziel et al. Machine-learning-powered EM-based framework for efficient and reliable design of low scattering metasurfaces
Gies et al. Particle swarm optimization for reconfigurable phase‐differentiated array design
Sajuyigbe et al. Wide angle impedance matching metamaterials for waveguide-fed phased-array antennas
CN107704673B (zh) 宽带编码超材料快速设计方法
Shao et al. Dielectric 2-bit coding metasurface for electromagnetic wave manipulation
Siragusa et al. A tapered CRLH interdigital/stub leaky-wave antenna with minimized sidelobe levels
Zhou et al. Design of phase gradient coding metasurfaces for broadband wave modulating
CN110336137A (zh) 一种阻抗匹配高增益透镜天线及其设计方法
Abdullah et al. Supervised-learning-based development of multibit RCS-reduced coding metasurfaces
CN105762528A (zh) 一种高口径效率反射阵天线
Abdullah et al. Surrogate-assisted design of checkerboard metasurface for broadband radar cross-section reduction
CN110729821B (zh) 用于多目标无线能量传输的准无衍射波束形成方法
An et al. Improved multilevel physical optics algorithm for fast computation of monostatic radar cross section
Su et al. Integral-equation analysis of frequency selective surfaces using Ewald transformation and lattice symmetry
Loredo et al. Phase-only synthesis algorithm for transmitarrays and dielectric lenses
CN108446504A (zh) 基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法
Koziel et al. Design of high-performance scattering metasurfaces through optimization-based explicit RCS reduction
Zhou et al. Fast low-sidelobe pattern synthesis for linear array thinning utilizing a modified iterative Chirp-Z transform technique
CN115149270A (zh) 一种宽带可编程幅相联合编码超表面
Zhang et al. Aperture efficiency and mode constituent analysis for OAM vortex beam generated by digital metasurface
Dadgarnia et al. A fast systematic approach for microstrip antenna design and optimization using ANFIS and GA
Cheng et al. A compact antipodal Vivaldi antenna with metamaterial half-lens for beam control
Malleboina et al. On the aperture size of digitally coded metasurfaces for beam steering applications using anomalous reflection
Li et al. Design of high-gain lens antenna based on phase-gradient metasurface
Shin et al. Analysis of a curved multi-layer radome using a flat model and the ray tracing technique

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210115

Termination date: 20210926

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee