[发明专利]基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法

说明书

基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，包括以下步骤；步骤一：预设单元的基本结构；步骤二：根据步骤一得到的基本结构预设遗传迭代的优化区域并对金属贴片层网格化处理；步骤三：对网格化处理的金属贴片层设定遗传算法种群个体数POP及迭代次数GEN；步骤四：对步骤三得到的种群内各网格个体对应表征的单元结构对应设定算法的目标函数；步骤五：对种群内的表征了金属贴片层结构的网格结构个体进行特征模求解，并计算目标函数；步骤六：将步骤五得到的目标函数经遗传迭代产生后代种群个体；步骤七：得到最优个体，结构自动化设计过程结束。本发明根据期望的单元物理特性预设出明确目标函数，并完成对具有期望物理电磁特性的单元结构的自动化设计。

技术领域

本发明属于电磁技术领域，具体涉及基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法。

背景技术

目前的无源单元无法解决灵活实时完成对波束调控的功能，因此提出了新颖bit型单元。目前新颖电控单元的设计方法有：①改变加载到变容二极管两端的偏置电压，研究分析超构单元的谐振特性在不同电压下的变化，以实现反射波相位连续型可调或相位差为180°；②改变加载了PIN二极管的贴片结构参数，研究各结构参数对反射波相位的影响，通过结构参数调整获得期望的反射波相位调控性能。

现有新颖电控bit型单元虽然解决了阵列调控灵活度的问题，可通过单片机或FPGA实时切换阵面编码来完成超表面的多功能应用，但现有所用的单元设计方法均是通过对单元的反射系数进行仿真，由设计者通过仿真扫参并完成结构尺寸参数优化的过程，对设计者来说在此过程中需完成多次对比及调整等不必要的、耗时的重复性工作。

针对目前在设计加载二极管元件的反射型调相单元时，每次调整结构参数均需分别考虑二极管导通与截断两种等效电路形式替代情况下的单元特性，因此往往在结构设计过程中，需要反复进行单元效果对比与结构参数的调整，使得单元特性评估过程更加复杂，造成了过分依赖于天线设计者的设计经验与反复的调参优化过程的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，旨在让设计者只需根据期望的单元物理特性预设出明确目标函数，并用遗传算法迭代优化的手段完成对具有期望物理电磁特性的单元结构的自动化设计，无需依靠人为调整，而是直接地完成期望特性的结构设计。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，包括以下步骤；

步骤一：预设数字化超表面单元的基本结构；

步骤二：采用遗传算法，根据步骤一得到的基本结构预设遗传迭代的优化区域并对金属贴片层网格化处理；

步骤三：对网格化处理的金属贴片层设定遗传算法种群个体数POP及迭代次数GEN；

步骤四：对步骤三得到的种群内各网格个体对应表征的单元结构分别设定算法的目标函数；

步骤五：对种群内的表征了金属贴片层结构的网格结构个体进行特征模求解，并计算目标函数；

步骤六：将步骤五得到的目标函数经遗传迭代产生后代种群个体；

步骤七：得到最优个体，结构自动化设计过程结束。

所述步骤一基本结构为一种加载了PIN二极管的反射型数字化超表面单元结构，是由第一金属层1、第一介质层2及第二金属层3三部分构成的基本结构单元，根据超表面单元结构期望工作频段中心频点f，对应波长为λ，可预设单元结构周期P范围为并选择PIN二极管型号。本发明中所述第一金属层1为金属贴片层，第二金属层3为单元结构周期下全覆盖金属层，第一介质层2为介质基板材料。