技术特征：
1.基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，所述步骤二考虑到步骤一中所选pin二极管型号，预设出二极管的添加位置，在第一金属层(1)中央开缝加载的方式，将二极管引入位置设定为结构中央；再预设出单元基本结构的期望设计形式，采用多谐振开缝结构，以保证单元的工作带宽，采用内含有“艹”形开缝的矩形金属片作为第一金属层(1)的初始结构形式，通过将金属贴片层网格化处理的方式，将其初始结构切割为nx行ny列的无数相同小网格的形式，其中“艹”形开缝即为第一金属层(1)中需要进行网格随机保留与删除的优化区域，采用划分为方形小网格的形式，网格边长ml应低于中心频点f处波长为λ的二十分之一，对步骤二所预设的优化区域内的小网格进行0或1随机编码赋值，以表征小网格是否保留，赋值为0表征该小网格删除，赋值为1表征该小网格保留，而对第一金属层(1)预设优化区域外的网格始终编码赋值为1，即网格始终保留的操作，从而达到仅在预定优化区域内完成结构优化的目的。4.根据权利要求1所述的基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，所述步骤三设定初始种群内个体数为pop，通过生成pop个随机二进制数组的方式，得到由pop个结构各异的单元结构网格个体构成的初始种群；设定迭代次数为gen，初始种群pop数量越多意味着亲本中可被择优选择的个体越多，迭代次数gen越大意味着最终优化精度越接近目标。5.根据权利要求1所述的基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，所述步骤四中需要计算所设目标函数的研究对象是经步骤一、二、三后得到的种群内各网格个体对应表征的单元结构形式，而目标函数的特征与最终期望的数字化单元结构的电磁物理属性(特征模相位差)有关，步骤四所设的目标函数是为了在步骤五中完成针
对于种群内的每个网格个体表征的结构形式下的目标函数计算，对所述步骤四中遗传优化的两个目标函数的具体设定如下：目标函数function 1：规定入射波的极化方式为y极化或x极化，要求超表面单元结构网格对应在通断状态下的特征主模极化为入射波同极化方式，目标极化角polar应趋于90
°
或-90
°
，即如式(1)：function 1＝|polar|-90
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)目标函数function 2：根据特征模数字化相位差是相同入射波下电控单元两种状态下的主模模式展开系数相位差、特征角之差及极化角之差三部分共同叠加决定，则期望设计出反射场相位差为δgoal phase的电控数字化单元的特征模数字化相位条件就是：function 2＝δmwc+δca+δpolar-δgoal phase
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)如式(2)所述，其中,δawc为通断两态下主模模式展开系数相位差，δca为二者主模特征角之差，δpolar为二者主模极化角之差，δgoalphase为设计目标的期望相位差，优化目标最小值的优化过程使得function2趋于0，随着迭代优化，目标数字化单元的特征模数字化相位差特性将趋近于设计目标的期望相位差。6.根据权利要求1所述的基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，所述步骤五是基于步骤四中能够反映特征场相位的相关特征模物理参量所表示的期望优化目标函数，结合nsga-ii遗传优化算法，利用matlab语言完成脚本编写，通过调用电磁仿真软件cst studio suite 2020完成模型建立、参数求解以及数据结果记录工作；5-1)模型建立按步骤三所述生成pop个随机二进制数组，其中每个数组是由随机二进制信息表示的个体结构的离散网格形式，pop个网格个体构成初始种群，逐次读取pop个网格个体的二进制信息，并调用电磁软件cst studio suite 2020，完成网格对应位置的结构模型构建；首先，调用cst软件并新建一个工程文件，考虑到初始种群中每个网格个体为一个随机二进制的行向量数组，因此将此行向量数组转换为一个nx行(总网格行数)ny列(总网格列数)的数组矩阵，再按行读取该数组矩阵，并根据二进制信息判断优化区域内网格是否保留，若保留则在对应位置处构建网格结构模型，至整个数组矩阵对应的整体上层金属网格结构构建完成，然后根据中间介质层板材参数添加新介质并设置介电常数，并根据单元周期p及介质厚度h完成对中间介质层结构的构建；最后按照单元周期尺寸在介质层下表面完成对全覆盖金属地板结构的构建，至此，完成了基于种群内一个网格个体的超表面单元结构的构建；5-2)参数求解对各网格个体表示的超表面单元，按照单元周期p完成复制平移操作，排布为4
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4个有限周期结构后，设置频率f处的场监视器：远场farfield、磁场h-field，再利用设置工程求解器为高频积分方程求解器(此工程求解器支持特征模求解，并设置求解分析的特征模模式数量modenum)，再完成对沿-z轴垂直入射到单元结构的y极化平面波激励源的设置，将电场矢量’evector’设为(0,1,0)，若期望平面波激励源为x极化波垂直入射，只需将电场矢量’evector’改为(1,0,0)即可，另外，考虑到单元结构为反射型超表面单元，单元下表面为全覆盖金属地板，故将工程模型边界条件zmin设置为’electric’，至此，完成对工程的求解设置，并开始工程求解特征模；
5-3)数据结果记录当工程完成求解计算后，需要将用于目标函数计算的特征模参数数据进行记录，包括模式展开系数的幅值及相位、特征角、特征场，这一过程通过matlab调用cst读取工程结果并记录数据实现，按特征模序数逐次记录特征模式的远场farfield、特征角及模式展开系数的幅值及相位数据，并按照工程路径分别将数据结果以ascii形式导出，并按模式序数依次命名，存到各参数文件夹下；至此，完成了单元结构模型建立、特征模参数求解以及数据结果记录工作，完成了所述步骤五对种群内结构个体的特征模求解。7.根据权利要求1所述的基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，为了实现步骤五计算目标函数，需判断特征模式主模并完成目标函数相关数据提取，特征模式主模具有两个特征：模式展开系数相对较大；特征模式极化方式与激励源极化方式相同，以上述两个特征为判断依据，具体过程为：首先读取上一步中保存的模式展开系数mwc，找到模式展开系数幅值最大的特征模式序数并将该模式序数的模式展开系数的相位读取记为mwc_phase；再读取该模式序数的远场分量数据中x分量幅值|ex|及y分量幅值|ey|，模式极化角记为：polar＝tan(|ey|/|ex|)；再读取该模式序数的特征角记为ca，对于步骤三中种群内各网格个体而言，在二极管通断下具有两种结构形式，二者差异仅是工程结构模型中二极管位置处网格结构有无，因此，二者可分别利用上述步骤完成对二极管通断两态下的特征模参数求解与记录工作，故可计算得到用于目标函数1的极化角polar及用于目标函数2的模式展开系数相位差δmwc、特征角之差δca及极化角之差δpolar，从而完成对两个目标函数的计算，并将目标函数结果记录于网格个体的二进制基因位信息后，便于后续步骤六根据目标函数值进行择优选择生成子代种群。8.根据权利要求1所述的基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，所述步骤六根据个体基因位信息中记录的目标函数值，完成非支配排序及拥挤度计算，具体过程如下：6-1)非支配排序根据目标函数值通过非支配排序对种群内个体进行优先级分层，个体所属非支配层级数越低，优先级越低，支配地位越高，非支配排序具体过程如下：(1)种群规模为n，种群内个体目标函数值为x(1)、x(2)
……
x(n)；(2)设i＝1；(3)对全部j＝1、2
……
n，且j≠i，通过比较第i个体的目标函数x(i)和第j个体的目标函数x(j)来判断个体i和个体j的支配关系，若不存在任何的x(j)优于x(i)，则x(i)记为非支配个体；(4)令i＝i+1，重复至(2)，直至找到所有非支配个体。经过上述(1)至(4)过程所得的非支配个体集作为种群的第一非支配层(优先级为0)，而后将种群内除第一非支配层以外的其他个体重复进行(1)至(4)，再得到第二非支配层(优先级为1)，以此类推至整个种群的支配关系得到分级排序；6-2)拥挤度计算计算拥挤度是为了对种群中特定个体解周围的其他解的拥挤度进行估计，拥挤度是根
据每一目标函数计算的两侧相邻个体解的平均距离，拥挤度计算具体过程如下：(1)根据每个目标函数值的大小的升序顺序对种群个体进行排序；(2)针对每个目标函数，对种群进行非支配排序，取目标函数最大值fmax和最小值fmin对应的个体解为边界解，令边界个体解的拥挤度为无穷大距离，其他中间个体解的拥挤度为两侧相邻个体解的函数值归一化绝对差值，记第j个个体解的第m个目标函数值为f
(m)
(j)，在此个体解不属于边界解的情况下，其拥挤度值表示为(f
(m)
(j+1)-f
(m)
(j-1))/(f
(m)
max-f
(m)
min)；经过非支配排序及拥挤度计算，种群内每个个体均有此两个属性：非支配层(即优先级)、拥挤度值，并以此为种群内个体优劣比较的依据；若第i个个体x(i)所属非支配层优于第j个个体x(j)所属的非支配层，则个体x(i)优于x(j)；若x(i)与x(j)属同一非支配层，则需比较二者拥挤度，若x(i)的第m个目标函数的拥挤度f
(m)
(i)大于x(j)的第m个目标函数的拥挤度f
(m)
(j)，则x(i)优于x(j)，因此，根据个体的非支配序列大小和拥挤度，择优选择个体构成用于后续迭代的新种群，对新种群内个体重复进行步骤五，至目标函数最优或至最大迭代次数停止。9.根据权利要求1所述的基于特征模理论的数字化超表面单元的自动化设计方法，其特征在于，所述步骤七得到最优个体，遗传优化算法进程结束，所得的最优个体所对应的通断两态，即为自动设计出的可用作为反射型调相的数字化单元，此前步骤二中所述明确了pin二极管的添加位置，直接将二极管的导通或截断的等效电路引入此处即可，至此，基于特征模相位条件完成了对加载二极管的可编码超表面单元的自动化设计，自动设计出的最优结构在加载二极管等效电路形式后构成的数字化单元的电磁特性，在中心工作频率f下能够满足特征模数字化相位，符合设计条件。
技术总结
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。磁特性的单元结构的自动化设计。磁特性的单元结构的自动化设计。
技术研发人员：史琰 徐茜雅
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/3/10