[发明专利]具有非对称传输特性的手性超材料结构及设计方法

权利要求书

1.一种具有非对称传输特性的手性超材料结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据设计需要确定介质基板(1)的材料和尺寸以及具有周期构型的人工金属结构的材料和尺寸；采用CST电磁仿真软件计算得到与电磁波频率相关的线性极化波的交叉极化透射系数：T_xy和T_yx；计算整个结构对线性极化波的非对称传输系数：其中，x表示线性极化波的极化方向沿x方向，y表示线性极化波的极化方向沿y方向；

步骤2：定义单胞结构的初始设计域，包括以下子步骤：

步骤2.1：根据步骤1确定好介质基板及两层人工金属结构的材料和尺寸，由于整体结构具有周期性，故针对其单胞结构进行拓扑优化设计；定义每个单胞是边长为a的正方形区域，其中人工金属结构的设计区域是边长为b的正方形区域，c为相邻单元的间距，且a-b＝c；

步骤2.2：将b区域离散为n×n的正方形小方格，则表层人工金属结构(2)和底层人工金属结构(3)的小方格总数即为设计变量；将表层设计域沿中心轴方向平分为两个部分，且这两个部分以中心轴进行180°对称旋转，底层设计域经表层设计域绕空间分别旋转90°得到，则表层及底层设计域共分为四个部分，且四个部分对应小方格的金属材料分布相同，即设计变量的取值相等；

步骤2.3小方格具有固定的编号，在平面上具有固定的位置，其中四个部分中相同编号的方格具有相同的材料属性，进行合并同类项；合并后，变为m个设计变量；

步骤3：由步骤2确定好初始设计域后，根据步骤1得到的非对称传输系数的表达式，设计单胞结构的优化模型为：

maxA(x₁，x₂，...，x₁₈)＝||T_yx|²-|T_xy|²|

s.t.x_i＝0 or 1，12≤ω≤30Gz

设计变量x_i表示材料属性，i＝1，2，...，n；

金属以1表示，空气以0表示，则将材料分布问题转化为小方格取值为0或1进行优化；

步骤4：根据步骤3确定好单胞结构的优化模型后，开始按照优化模型进行拓扑优化设计过程；采用有限元积分法建立初始结构的等效电磁模型，运用CST电磁仿真软件分析得到对应的交叉极化透射系数：T_xy和T_yx，通过交叉极化透射系数计算出当前结构的非对称传输系数：根据步骤3确定好的优化模型，以单元区域的材料取值为设计变量，以非对称传输系数的绝对值为优化目标函数，利用遗传算法进行基于材料分布的拓扑优化设计，最终能够得到具有良好非对称传输现象的手性超材料单胞结构；

其中具有非对称传输特性的手性超材料结构，包括若干相同的单胞结构；所述单胞结构包括介质基板(1)、表层人工金属结构(2)和底层人工金属结构(3)；表层人工金属结构(2)位于介质基板(1)上表面，底层人工金属结构(3)位于介质基板(1)下表面；

所述表层人工金属结构(2)和底层人工金属结构(3)均包含两个L形变体金属片，L形变体金属片由相对两边分别为短边和长边的U形组成，表层人工金属结构(2)的其中一个L形变体金属片沿中心旋转180°后与另一个L形变体金属片重合；且两个L形变体金属片的短边之间无间隙，

底层人工金属结构(3)由表层人工金属结构(2)经过与中心轴相互垂直的方向旋转90°得到；所述介质基板(1)采用RogersRO4350材料；所述介质基板(1)厚度d的取值范围为0.8mm≤d≤1.2mm；所述表层人工金属结构(2)厚度t₁取值范围为0.024mm≤t1，t₂≤0.048mm；所述底层人工金属结构(3)的厚度t₂的取值范围为0.024mm≤t₁，t₂≤0.048mm。