[发明专利]基于物理约束的超表面原子结构的电磁响应预测方法

说明书

本发明公开了一种基于物理约束的超表面原子结构的电磁响应预测方法，包括上层、中层和下层，所述上层为编码图案区域，其宽度为l₂＝8mm，在编码图案区域可划分为16×16矩阵，所述矩阵上贴有金属铜贴片，其中金属铜贴片的电导率为5.8e+007S/m，宽度l₃＝0.5mm，厚度t₂＝0.017mm，所述中层为介质基板，其材质具体为F4B，下层为全金属铜覆盖本发明的有益效果：提升了电磁超表面设计正向预测的精确度和模型的泛化性能，解决了现有技术正向预测实时性和精度不足问题。

技术领域

本发明涉及电磁超材料设计领域，具体是一种基于物理约束的超表面原子结构的电磁响应预测方法。

背景技术

电磁超材料概念由Walser教授在1999年首次提出，指的是人工制造的，周期性的三维复合材料。电磁超材料通过人工结构的周期性排列，能够产生自然界中已然存在的材料所不具备的物理性质，如负介电常数和负磁导率。电磁超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，电磁超表面被认为是电磁超材料的二维对应形式。不同于电磁超材料，电磁超表面利用电磁波在超表面两侧突变这一特性所产生的突变相位和突变幅度来调控反射场和透射场在空间中的相位和幅度分布。电磁超表面可实现对电磁波振幅、相位等特性进行灵活调控，与传统电磁超材料相比，具有损耗小、延展性好等优良特性。

电磁超表面的电磁响应正向预测是指，根据提供的人工结构排列信息，得到其对应的电磁响应。当前电磁超表面设计的正向预测主流方法仍为数值迭代计算方法。通过数值计算方法对麦克斯韦方程组进行求解得到对应的电磁响应，常用的数值计算方法有矩量法 (MOM)、有限元法(FEM)、有限积分法(FIT)和时域有限差分法(FDTD)等。通过这种方法需要大量的数值计算与迭代，单个样例仿真耗时通常是分钟级别，耗时费力，电磁超表面设计的正向预测受到数值计算能力的巨大限制。

近年来火热的深度学习方法在模型训练完成后，具有前向推导迅速的优势。数据驱动的深度学习方法，通过对网络结构的加深和精心设计，能够拟合复杂非线性关系，发现输入变量与输出变量之间的未知映射关系。深度学习方法已经应用于材料科学、化学、医学等许多研究领域。将深度学习方法应用于电磁超表面设计的正向预测也成为可能。而由于电磁超表面结构与对应的电磁响应之间的高度非线性关系，单纯依靠神经网络的拟合能力存在精度不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁超表面单元及其正向预测方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术正向预测实时性和精度不足问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电磁超表面单元，包括上层、中层和下层，所述上层为编码图案区域，其宽度为l₂＝8mm，在编码图案区域可划分为16×16矩阵，所述矩阵上贴有金属铜贴片，其中金属铜贴片的电导率为5.8e+007S/m，宽度l₃＝0.5mm，厚度t₂＝0.017mm，所述中层为介质基板，其材质具体为F4B，下层为全金属铜覆盖。

作为本发明进一步的方案：所述电磁超表面单元对应的电磁相应取决于编码图案的样式，所述编码图案的样式具体采用中心对称的方式。

作为本发明进一步的方案：所述矩阵为随机产生的16×16编码矩阵，构建对应的电磁超表面单元，送入电磁仿真软件得到对应的电磁响应，频率范围设置为8-12Ghz。

作为本发明进一步的方案：所述电磁相应的幅值A和相位与电磁响应的实部Re和虚部Im存在以下对应关系：

一种基于电磁超表面单元衍生的一种基于物理约束的超表面原子结构的电磁响应预测方法，包括以下步骤：