CN114239163A - 基于随机拓扑的超构材料微结构生成与联合仿真评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于随机拓扑的超构材料微结构生成与仿真评估方法，使用计算机程序生成电磁微结构图案，并将所述图案转换为可调用的计算机文件，通过导入该计算机文件，生成超构材料并开始仿真测试，所述超构材料微结构由衬底介质材料和阻抗膜材料交替排列形成；包括：确定超构材料微结构电磁吸收的频率区范围；确定阻抗膜材料材质，确定阻抗膜材料的图案周期；确定耐环境的衬底介质材料材质；确定超构材料微结构的生成方式，随机微结构的占空比，固定衬底介质的厚度，计算不同占空比微结构下的电磁吸收特性；确定固定衬底介质的厚度下的优势微结构占空比区间，舍弃其他微占空比结构结构；确定超构材料的最优构型。
Description
技术领域
本发明属于超结构材料技术领域，涉及一种基于随机拓扑的超构材料微结构生成与联合仿真评估方法。
背景技术
超构材料通常借鉴自然界生物特征的仿生技术或基于先验知识的拓扑优化等手段来设计获得，虽可在一定程度上取得较好效果，但依然存在较多局限。为突破这个局限，本专利提出基于随机拓扑图形生成和结构——超构材料快速转化与测试方法，实现了结构—电磁特性联合大数据仿真与结构寻优，弥补了传统设计手段的不足。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于随机拓扑的超构材料微结构生成与仿真评估方法，使用计算机程序生成电磁微结构图案，并将所述图案转换为可调用的计算机文件，通过导入该计算机文件，生成超构材料并开始仿真测试，所述超构材料微结构由衬底介质材料和阻抗膜材料交替排列形成；所述方法包括如下步骤：
步骤1，确定超构材料微结构电磁吸收的频率区范围；确定阻抗膜材料材质，确定阻抗膜材料的图案周期；确定耐环境的衬底介质材料材质；
步骤2，确定超构材料微结构的生成方式，随机微结构的占空比，固定衬底介质的厚度，计算不同占空比微结构下的电磁吸收特性；
步骤3，确定固定衬底介质的厚度下的优势微结构占空比区间，舍弃其他微占空比结构结构；
步骤4，从根据步骤3确定的优势微结构占空比区间的上下边界中各选择一个微结构构型，计算采用同一微结构构型的图案，不同衬底介质的厚度下的电磁吸收特性；
步骤5，根据步骤3和步骤4的计算结果，确定超构材料的最优构型；
步骤6，根据步骤5获得的最优构型制作所述超构材料。
进一步的，步骤1中所述阻抗膜材料的图案按照设定的图案周期扩展生成，
所述图案生成包括子步骤：
步骤1.1,初始化随机生成种子点；
步骤1.2，标记种子点领域像素；
步骤1.3，从全部图案区域中随机选择若干点作为新的结构点；
步骤1.4，获得满足占空比要求的区域结构。
进一步的，所述图案的生成拓扑模式包括旋转方式和轴对称方式；所述轴对称方式包括：单轴对称方式和双轴对称方式。
进一步的，所述图案周期的一个元图案的拓扑满足以下条件：
⑴拓扑应随机生成；
⑵一个完整图形的像素数满足预定的金属占空比和各元图案内的金属块相互连通。
进一步的，所述阻抗膜材料材质的参数包括：阻抗、介电常数和损耗正切角；所述衬底介质材料材质参数包括：衬底厚度和介电常数。
进一步的，所述微结构的评价公式为：
其中，sf是反射系数，min(·)表示最小值，avg表示平均值，f是频率，fmax表示频率上限，fmin表示频率下限。
进一步的，把所述微结构的评价公式分成多个频率区间分段计算和加权评价，以求出最优的兼容吸收特性材料构型。
进一步的，步骤3和步骤5的所述的优势微结构和最优微结构区间，均通过所述评价公式计算确定。
进一步的，仿真计算结束后，将计算所得的微结构执行编码保存，同时在对应数据文件中相同索引位置保存超构材料反射S参数数据和相位数据。
进一步的，所述超阻抗膜材料包括介质层和介质层上附着的阻抗层，采用激光刻蚀阻抗层生成所述微结构。
采用本发明的方法，微结构生成算法可依据不同的结构占空比需求生成不同的结构，在确定最优占空比的基础上对大量结构材料进行仿真计算与性能评估，可实现高效电磁吸波超构表面的快速寻优，图4给出了不同结构占空比下的微结构样本。海量微结构的智能化生成与自动化测试评估是解放人工的一个有效方式。
附图说明
图1是随机拓扑结构生成示意图；
图2是微结构随机拓扑增长生成流程示意图；
图3是电磁吸波超构材料微结构生成模式；
图4是不同δ双轴对称极化不敏感微结构；
图5是多层微结构材料复合示意图；
图6是超构材料编码方式；
图7-1和图7-2是单层阻抗膜不同结构占空比δ超构材料的复合效果及其在12-16GHz频段内的电磁反射S参数特性图；
图8是3.6-3.6-1.8毫米介质厚度下两种微结构组合的宽频电磁兼容吸波特性；
图9-1是大数据寻优收敛曲线；
图9-2是双层微结构平面图；
图9-3是优化结构反射S曲线；
图10-1是单元结构；
图10-2是加工材料样件反射S参数对比。
具体实施方式
从电磁波宽频带吸收出发，设计图形结构的生成方式。为了生成结构材料的拓扑结构，我们首先生成其组成元素的拓扑结构如图1，将元素映射到对称组的单元，然后周期性地转换单元以形成整体结构材料。对于一种系统的设计方法，图形元的拓扑需要满足以下条件：(1)拓扑应随机生成，以代表整个设计空间；(2)一个完整图形的像素数应遵循指定的金属占比率；(3)图形单元内的金属块需要连通起来。
我们提出了随机生成与对称算法来生成所需的图形元素构型，首先在约定区域随机生成若干个结构像素种子点，然后从所有结构像素开始，计算并标记邻域边界，进一步在满足约束条件的边界像素坐标中随机选择若干像素作为新的结构像素，同时再次随机分配1—3个点像素作为新的结构种子点，这有利于高结构像素占比率的结构生成。微结构生成过程见图2。在测试过程中发现，如果不考虑新的种子点加入，在某些特殊区域限制的图形生成过程中会陷入增长速度过慢的情况，导致图形生成效率低下。
图2是微结构随机拓扑增长生成流程示意图。其中，(a)初始化随机生成种子点；(b)标记种子点领域像素；(c)从领域中随机选择若干点作为新的结构点；(d)获得满足占空比要求的区域结构。
对于电磁波吸波隐身，入射电磁波极化方向与材料的相对角度位置对吸波效果影响较大，为了尽可能的适应极化方向的变化，在图形生成过程中采用旋转与轴对称的方式生成多种拓扑模式，依据这个原理，原则上可以生成任意多个分区的图形，实现电磁波吸波VV、HH同性。拟采用生成模式如图3所示，其中p4采用的旋转生成模式进行结构生成，p4m采用轴对称模式进行生成，这两种生成模式具备较好的极化适应性，p4g采用的是单轴对称模式，单元结构对电磁波极化敏感，但通过在大面积上超构材料的对称组合可实现较强的极化适应性。
图3是电磁吸波超构材料微结构生成模式。微结构生成算法可依据不同的结构占空比需求生成不同的结构，在确定最优占空比的基础上对大量结构材料进行仿真计算与性能评估，可实现高效电磁吸波超构表面的快速寻优，图4给出了不同结构占空比下的微结构样本。海量微结构的智能化生成与自动化测试评估是解放人工的一个有效方式。
图4不同δ双轴对称极化不敏感微结构。
结合图3微结构生成模式可以获得材料的结构特征，对于相应结构元素，需要进一步赋予材料电磁参数，针对不同的需求可以有不同的材料体系。在电磁波吸波材料体系中，电磁微结构本身无法单独实现吸波功能，需要与衬底介质材料进行多层复合才能实现RCS缩减效果。通过python联合FDTD实现微结构编码存储、超构材料电磁反射特性S参数大数据智能化测试与存储，存储过程中，构建对应的数据文件实施结构—S参数的一一映射。
包含微结构的超构材料生成方法如图4所示，由于阻抗膜极易遭到破坏而导致电磁性能退化，采取将耐环境性介质覆盖在表层，阻抗结构层加载在介质中间的模式进行复合加工，其中图5是多层微结构材料复合示意图。
图5中多层电磁吸波超构材料的复合方法。在重复构成A时，微结构随机选择。
为了能够解放研究人员的工作量，采用python进行电磁微结构图案生成，并将图案转换为FDTD可调用的GDI文件，利用python与FDTD的接口进行GDI微结构导入并依据图5方法控制生成超构材料并开始仿真测试。仿真计算结束后，自动存储算法会将微结构进行编码保存，其编码方式如图6所示，同时在对应数据文件中相同索引位置保存超构材料反射S参数数据和相位数据，并引入大数据寻优优化超构材料微结构与复合。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
实施例1
以周期P＝8mm，阻抗膜采用聚酰亚胺膜，阻抗为95Ohm/sq，介质采用氰酸酯，其介电常数为3.0，损耗角正切为0.005的12-16GHz频段内高效宽频吸波超构材料为例。上下两层介质选择相同厚度来实现频段内的谐振特性来增加吸收效果，厚度的计算采用理论公式(1)计算获得。
其中，d为电磁波谐振厚度，c为电磁波传播速度，f为电磁波频率，εsub为介质介电常数。
图7是单层阻抗膜不同结构占空比δ超构材料的复合效果及其在12-16GHz频段内的电磁反射S参数特性图。超构表面最底层是一层金属薄片，可实现电磁波全反射，因此反射S参数曲线直接反映了超构表面材料的电磁吸收特性，反射S参数越小，电磁吸收效果越好。从图5的计算结果发现，无结构时介质-阻抗膜-介质的材料复合模式已经具备了一定的电磁吸收效果，当引入结构占空比为0.1～0.2范围内的微结构后，材料电磁吸波性能明显增强，继续增加结构占空比则电磁吸收效果会逐渐减弱。
图7不同结构占空比样件及其电磁反射特性曲线。(a)无微结构介质-阻抗膜-介质复合超构材料电磁反射特性；(b)～(h)不同结构占空比微结构电磁吸收特性，随着δ取0.1与0.15时具有较大的性能提升，δ继续增大，超构材料在12-16GHz范围内电磁吸收性能下降。
对于微结构进行优化，以双层微结构复合三层介质超构材料为例，需先确定满足条件的厚度分配，为了确定三层介质厚度，首先选定结构占空比δ1与δ2的微结构，通过调整不同介质层的厚度进行多种组合，优化选择满足吸收指标的厚度搭配，实现大带宽电磁兼容吸收效果，以6-18GHz范围内实现优于-10dB为目标，评价准则见公式(3)。
选定两种不同微结构组合，优化厚度后满足要求仿真结果见图8。两种不同的结构组合在三层介质分别取3.6mm、2.6mm、1.8mm时都满足指标要求，但微结构的差异使得兼容吸波能力存在差异，因此需要进行第二阶段的寻优既微结构寻优。
图8是3.6-3.6-1.8毫米介质厚度下两种微结构组合的宽频电磁兼容吸波特性。
寻优过程中，为避免兼容电磁吸收欠佳但存在较大吸收波谷的超构材料被选中，可对公式(3)进行改进，采用分段评价加权的方式进行兼容吸收效能评估，见公式(4)。
@Sf≤-10dB,f∈(12,16)GHz,f1＝12GHz,f2＝14GHz,f3＝15GHz,f4＝16GHz
其中，a1、a2、a3是三个频段均值的权重，可根据不同需求进行调整。
以三层介质分别取3.6mm、2.6mm、1.8mm为约束，展开大数据寻优，寻优过程中采用随机δ1和δ2组合，经过160次迭代寻优后收敛曲线如图9所示。此例评价采用公式(3)计算得分值，结合随机过程进行大数据寻优，因此存在一定的随机性，如果按照本发明限定δ1和δ2的取值范围可加速超构材料的结构寻优。
图9-1大数据寻优收敛曲线；图9-2双层微结构平面图；图9-3优化结构反射S曲线
实施例2
为了验证算法的适用性，我们指定总厚度为7.4mm，微结构层为单层的12-16GHz高吸收超构材料，超构材料采用上下介质等厚设计，优化后超构材料结构和加工样件如图10-1所示。加工样件实测反射S参数曲线与FDTD仿真结果存在一定的偏差，这可能是因为加工过程中的加工精度误差造成的。本发明提出的设计方法设计获得的微结构误差对加工工艺具有较高的要求，这往往会造成设计指标与加工样件的测试指标偏移，也是本算法可能存在的一个不足，但并不影响设计方法的适用性。
针对12-16GHz频段设计的宽频吸波超构材料可实现设计单站反射系数S11全部低于-15dB，在14.23GHz位置处低于-27dB。加工完成宽频吸波超构材料平板样件单站反射系数全部低于-14.5dB，在14.67GHz位置处低于-27dB。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于随机拓扑的超构材料微结构生成与仿真评估方法，其特征在于，使用计算机程序生成电磁微结构图案，并将所述图案转换为可调用的计算机文件，通过导入该计算机文件，生成超构材料并开始仿真测试，所述超构材料微结构由衬底介质材料和阻抗膜材料交替排列形成；所述方法包括如下步骤：
步骤1，确定超构材料微结构电磁吸收的频率区范围；确定阻抗膜材料材质，确定阻抗膜材料的图案周期；确定耐环境的衬底介质材料材质；
步骤2，确定超构材料微结构的生成方式，随机微结构的占空比，固定衬底介质的厚度，计算不同占空比微结构下的电磁吸收特性；
步骤3，确定固定衬底介质的厚度下的优势微结构占空比区间，舍弃其他微占空比结构结构；
步骤4，从根据步骤3确定的优势微结构占空比区间的上下边界中各选择一个微结构构型，计算采用同一微结构构型的图案，不同衬底介质的厚度下的电磁吸收特性；
步骤5，根据步骤3和步骤4的计算结果，确定超构材料的最优构型；
步骤6，根据步骤5获得的最优构型制作所述超构材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述阻抗膜材料的图案按照设定的图案周期扩展生成，所述图案生成包括子步骤：
步骤1.1,初始化随机生成种子点；
步骤1.2，标记种子点领域像素；
步骤1.3，从全部图案区域中随机选择若干点作为新的结构点；
步骤1.4，获得满足占空比要求的区域结构。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述图案的生成拓扑模式包括旋转方式和轴对称方式；所述轴对称方式包括：单轴对称方式和双轴对称方式。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述图案周期的一个元图案的拓扑满足以下条件：
⑴拓扑应随机生成；
⑵一个完整图形的像素数满足预定的金属占空比和各元图案内的金属块相互连通。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻抗膜材料材质的参数包括：阻抗、介电常数和损耗正切角；所述衬底介质材料材质参数包括：衬底厚度和介电常数。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微结构的评价公式为：
其中，sf是反射系数，min(·)表示最小值，avg表示平均值，f是频率，fmax表示频率上限，fmin表示频率下限。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，把所述微结构的评价公式分成多个频率区间分段计算和加权评价，以求出最优的兼容吸收特性材料构型。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤3和步骤5的所述的优势微结构和最优微结构区间，均通过所述评价公式计算确定。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，仿真计算结束后，将计算所得的微结构执行编码保存，同时在对应数据文件中相同索引位置保存超构材料反射S参数数据和相位数据。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超阻抗膜材料包括介质层和介质层上附着的阻抗层，采用激光刻蚀阻抗层生成所述微结构。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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