专利名称：一种确定具有最大带宽特性的超材料单元结构的方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，特别是涉及一种利用遗传算法优化超材料单元的结构的方法。
背景技术：
目前，贴片型的超材料单元通常是将特定结构的金属构型印刷在电介质基板上，当电磁波入射时，金属构型将分别发生电谐振和磁谐振，在谐振频率附近，金属构型的等介电常数和等效磁导率可表现为负值，当激发电谐振和磁谐振的频率重合时，整个超材料单元结构就表现出负折射性质。在确定贴片型超材料单元结构时，通常借鉴拓扑优化的思想。可将电介质基板的两侧设定为设计区域，并通过设计金属片在设计区域的分布形式来描述不同的拓扑。金属片不同的拓扑结构会影响金属片的电谐振、磁谐振以及带宽等特性。对于超材料单元中的电磁学的优化问题，通常的目标是在一个目标频段内寻找带宽最大的超材料单元的结构，而与带宽有关的负折射率是重要的变量。在现有技术中，通常采用梯度优化方法确定具有最大带宽特性的超材料单元的结构。但是，梯度优化方法的收敛性极大的依赖于初始值的选择，且常难以提供合适的初始构型。并且，现有的优化方法的收敛性较低，而且存在许多局部最优解，因而难以通过现有的优化方法来设计超材料的结构。因此，需要提供一种确定具有最大带宽特性的超材料单元的结构的方法，以解决现有技术存在的收敛性低和存在局部最优解的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种确定具有最大带宽特性的超材料单元结构的方法，能够提高优化结果的收敛性及更好地得到全局最优解。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种确定具有最大带宽特性的超材料单元结构的方法。其中，超材料单元包括电介质基板以及设置在电介质基板上的具有特定结构的金属片，该方法包括步骤:定义设计变量:将金属片的设计区域划分为多个呈矩阵排列的子单元，且以二进制编码表示在每一子单元上是否排列有金属，并对应以一个二进制编码矩阵来表征每一金属片的结构特性，采用二进制编码矩阵为设计变量；随机生成设计变量的初始群组P，设定群组P中的个体为N个、遗传代数阈值为T代；计算群组P中每个设计变量的适应度值，并检测评估每一个个体遗传到下一代的概率；交叉操作:根据群组P中个体的概率选择两个设计变量进入下一代，并随机选择其他四个设计变量一起组成父代；将父代以交叉概率Pi进行两两交叉生成两个子个体，并将子个体存入预设的空集Q中；变异操作:根据群组P中个体的概率选取群组P中的部分设计变量以变异概率P2进行变异，将变异后得到的变异子个体也存入集合Q中；检查集合Q中个体的数量Ml，若Ml小于N则随机生成M2个新的设计变量，其中Ml和M2之和等于N ;将集合Q中的设计变量赋值给群组P并清空集合Q，对群组P中的设计变量重新计算适应度值，若不满足遗传代数阈值为T的终止条件，则转向交叉操作步骤；若满足终止条件,则输出最优解。其中，二进制编码的取值为I时，表示在子单元上排列有金属，二进制编码的取值为O时,表不在子单兀上未排列有金属。其中，二进制编码的取值为O时，表示在子单元上排列有金属，二进制编码的取值为I时，表不在子单兀上未排列有金属。其中，交叉概率Pl的初始值为0.7，变异概率P2在第一次变异时设为0，并且变异概率P2随着迭代次数的增大而增大。其中，交叉概率P1、变异概率P2和遗传代数阈值T满足以下关系式:
权利要求
1.一种确定具有最大带宽特性的超材料单元结构的方法，所述超材料单元包括电介质基板以及设置在电介质基板上的具有特定结构的金属片，其特征在于，所述方法包括步骤: 定义设计变量:将金属片的设计区域划分为多个呈矩阵排列的子单元，且以二进制编码表示在每一所述子单元上是否排列有金属，并对应以一个二进制编码矩阵来表征每一所述金属片的结构特性，采用所述二进制编码矩阵为设计变量； 随机生成所述设计变量的初始群组P，设定所述群组P中的个体为N个、遗传代数阈值为T代； 计算所述群组P中每个所述设计变量的适应度值，并检测评估每一个所述个体遗传到下一代的概率； 交叉操作:根据所述群组P中个体的概率选择两个所述设计变量进入下一代，并随机选择其他四个所述设计变量一起组成父代； 将所述父代以交叉概率Pl进行两两交叉生成两个子个体，并将所述子个体存入预设的空集Q中； 变异操作:根据所述群组P中所述个体的概率选取群组P中的部分所述设计变量以变异概率P2进行变异，将所述变异后得到的变异子个体也存入所述集合Q中； 检查所述集合Q中个体的数量M1，若Ml小于N则随机生成M2个新的设计变量，其中Ml和M2之和等于N ； 将所述集合Q中的所述设计变量赋值给所述群组P并清空所述集合Q，对所述群组P中的所述设计变量重新计算适应度值，若不满足所述遗传代数阈值为T的终止条件，则转向所述交叉操作步骤； 若满足所述终止条件，则输出最优解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二进制编码的取值为I时，表示在所述子单元上排列有金属，所述二进制编码的取值为O时，表示在所述子单元上未排列有金属。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二进制编码的取值为O时，表示在所述子单元上排列有金属，所述二进制编码的取值为I时，表示在所述子单元上未排列有金属。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述交叉概率Pl的初始值为0.7，所述变异概率P2在第一次变异时设为O，并且所述变异概率P2随着迭代次数的增大而增大。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述交叉概率P1、所述变异概率P2和所述遗传代数阈值T满足以下关系式:nn _ (1- PI) X ln{t)M(T) 其中，t为迭代次数。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算所述适应度值的函数为:X (Xi，X。，...，Xn) fmd\f-H(nreal(f))df max F = ~—-f — f.J max J mm
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N的取值为50。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述遗传代数阈值T为100。
全文摘要
本发明提供一种确定具有最大带宽特性的超材料单元结构的方法，其方法包括步骤定义设计变量，设定设计变量的初始值和阈值，计算设计变量的适应度，评估个体遗传到下一代的概率，并经过交叉、变异以及判断等操作确定具有最大带宽特性的超材料单元的结构。本发明通过利用改进型的遗传算法对初始值进行优化选择，并对变异概率进行动态变动，提高了优化的收敛性以及更好地得到全局最优解，避免出现局部最优解。
文档编号B81C99/00GK103159168SQ201110418348
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 王海莲 申请人:深圳光启高等理工研究院