[发明专利]电磁超材料单元的设计方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及电磁超材料技术领域，特别涉及一种利用自动化搜索算法优化超材料的材料参数及结构参数的设计方法。

背景技术

电磁超材料是一种人工复合结构或复合材料，它通过人工设计的微结构，呈现出天然材料所不具备的超常物理性质，如负磁导率，负介电常数，负折射率等。电磁超材料应用广泛，在智能家居，公共设施，交通及工业传感器等多个领域都具有广阔的应用前景，将成为未来极具潜力的新技术。

在不同的应用场景中，对超材料谐振频率和电磁特性的需求不同。不同应用系统都需要定制与之相匹配的超材料。因此，针对超材料结构的设计方法在超材料研究中具有重要的意义。

然而，现有超材料特性的获取方法复杂，超材料的设计参数与电磁特性之间没有可靠的解析公式，无法进行定量计算和设计。目前，主要依靠经验设计，并通过反复且大量的数值计算仿真来修正参数以达到所需要的性能。然而，对于大部分结构形式的电磁超材料，需要调整的设计参数众多，传统的经验设计方法具有一定局限性，所能达到的精度有限。另一方面，这种经验设计方法在调整众多参数时效率低，耗时长。这种方法消耗了较高的设计成本，却不能达到高精度的设计结果。近年来，也有一些研究提出通过自动化搜索算法实现电磁超材料的自动化设计。经过对现有技术的检索发现，专利文献(CN103136389B，CN103136390B，CN102682160B)中公开的电磁超材料设计方法直接套用粒子群，进化差分等经典搜索算法，对所有参数同时进行优化。这些方法虽然最终能得到基本满足设计目标的结果，但需要的设计时间仍然较长，尤其对于需要精细化设计的情况，设计时间将成倍增长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更高效，更精确的电磁超材料单元的设计方法及其装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：建立仿真模型，通过一种分步算法对不同灵敏度的参数进行分类处理：先优化灵敏度大的参数，进行粗略设计，再优化灵敏度小的参数，完成细节处理。本发明提供的方法可以根据不同设计精度的需求，实现更高效更精准的设计，尤其对于设计精度较高的问题，很大程度上节约了时间成本。

本发明提供一种电磁超材料单元的设计方法，包括如下步骤：

步骤S1，对选定的电磁超材料结构建立仿真模型；

步骤S2，分析设计参数对仿真模型中电磁超材料特性的影响；

步骤S3，根据影响优化设计参数。

优选地，步骤S1包括：

步骤S1.1，获取设计目标F_t及设计精度ΔF；

步骤S1.2，根据设计目标F_t构建设计参数空间；

步骤S1.3，对需要优化的电磁超材料结构建立仿真模型。

优选地，步骤S2包括：

步骤S2.1，在设计参数空间内，分析设计参数对仿真模型中电磁超材料特性的影响；

步骤S2.2，根据影响对需要优化的设计参数进行分类。

优选地，设计参数的分类包括重要设计参数及次要设计参数。

优选地，重要设计参数包括重要单调性设计参数及重要非单调性设计参数；

次要设计参数包括次要单调性设计参数及次要非单调性设计参数。

优选地，步骤S3包括：

步骤S3.1，选定一组重要设计参数及次要设计参数的初始值；

步骤S3.2，保持选定的次要设计参数初始值不变，通过具有方向性扰动的搜索算法优化重要设计参数，获得优化的重要设计参数结果；

步骤S3.3，判断获得的优化的重要设计参数结果是否满足设计精度ΔF的要求；

若已满足设计精度ΔF的要求，则进入第一输出步骤；

若不满足设计精度ΔF的要求，则进入步骤S3.4；

步骤S3.4，保持已优化完毕的重要设计参数不变，通过具有方向性扰动的搜索算法优化次要设计参数，获得优化的次要设计参数结果，进入第二输出步骤；

第一输出步骤，输出优化后的重要设计参数及初始的次要设计参数结果；

第二输出步骤，输出优化后的重要设计参数及优化后的次要设计参数结果。

优选地，步骤S3.2和步骤S3.4中的具有方向性扰动的搜索算法包括：

初始化；

随机获得新的重要或次要非单调性设计参数，并计算新重要或次要非单调性设计参数下的目标函数值F₁，其中，目标函数值F₁满足：