[发明专利]宽带编码超材料快速设计方法

说明书

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。

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