一种多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构

本发明属于微波工程领域，涉及一种超材料结构，尤其涉及一种多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构。

背景技术：

1、超材料结构是一种纵向尺寸远小于波长的人工二维平面或曲面结构。频率选择表面(fss)作为电磁超表面的衍生是一类通常由大量无源谐振单元组成的周期性阵列，谐振单元由贴片或者孔径组成。通过不同的图案结构设计及组合，频率选择表面可以实现在指定频段对电磁波的透明传输、强反射或强吸收。

2、目前，绝大多数频率选择表面的工作频段位于超高频(shf)内，即3-30ghz。伴随5g技术的推广，针对毫米波频段(30-300ghz)的超表面也逐步涌现，但仅有少量针对l频段(1-2ghz)甚至更低频段的频率选择结构，原因在于更低的频率需要更大的单元尺寸，导致在阵列排布时容易降低其电磁性能，因此此类fss设计困难。

3、专利《低损耗微单元低通频率选择表面天线罩及制作方法》(公开号：cn105186132a)采用多层蒙皮层、导电金属层、泡沫层，将制作好的频选层插入玻璃钢复合材料夹层内，并采用面积为1-5mm2的方形金属片，将频选材料的截止频率控制在0.3-3ghz频段范围内。专利《一种单元尺寸小型化低频频率选择表面》(公开号：cn102569953a)采用一块板厚0.5-2mm，介电常数小于10的pcb板，在pcb板的正面和背面均设有一层导电金属层；导电层由铜箔方框以及框内围成田字形的4块正方形导电片构成且上下对齐；其中，下导电层在田字形的四个角各连接有1个连接片，在上导电层的相邻的导电片之间加载一个集总参数电感降低频率选择表面的谐振频率；上下导电层由各自的单元周期排布，形成一个单元数大于20*20的阵列，导电片之间面-面耦合形成较大的分布电容进一步降低频率选择表面的谐振频率，最终实现在0.37-0.92ghz内的良好传输特性。但上述结构层级较多，频率选择单元的图案设计较复杂，且基于复合材料，对材料及加工要求比较高。

4、同时，多物理超材料的兴起引发了对于多物理超表面的研究。其中，频率选择表面的现实场景往往是多物理场耦合场景，实际应用中通常面临多方面需求，在目标频带内除了需要特定的电磁响应性能，并且要满足温度、应力等一系列的测试。随着人工智能技术发展，业内逐步将深度学习模型引入fss的设计以求提高设计效率。将多物理性能的需求融入此类智能模型，通过自动化的设计空间探索，可以促进对结构及其多物理响应之间潜在的、未探索的关系的更好理解，并且推动迄今为止可能尚未挖掘的新解决方案的开发。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的不足，本发明提供一种多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，可以实现0.6-2.7ghz工作频段内的低频带反射波、高频带透波，同时在该频段内维持较低的温升。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，包括周期性排布的若干频率选择单元；所述频率选择单元包括rt5880介质基底以及设于介质基底一侧表面的薄金属贴片。

4、进一步的，所述介质基底的厚度为1mm；所述薄金属贴片的厚度不大于0.5mm。

5、进一步的，所述介质基底为正方形，边长50mm。

6、进一步的，所述频率选择单元的结构呈中心对称，所述薄金属贴片包括两个类z形金属贴片、一个中心连接方形环的耶路撒冷十字金属贴片和四个l形金属贴片；所述耶路撒冷十字金属贴片的阻臂与所述介质基底的四边平行，所述耶路撒冷十字金属贴片的十字臂与阻臂垂直向内延伸与方形环连接，所述耶路撒冷十字金属贴片的十字臂与方形环形成的空隙处设有所述l形金属贴片，且所述l形金属贴片的直角边与方形环的直角边平行；所述类z形金属贴片位于所述耶路撒冷十字金属贴片的方形环的中心位置，且两个类z形金属贴片夹角为90°。

7、进一步的，所述类z形金属贴片的始端和末端各包含一段曲折部分。

8、进一步的，所述薄金属贴片的边缘与所述介质基底边缘之间留有缝隙。

9、进一步的，所述频率选择单元中影响调谐和温度分布的相关参数由多物理智能逆向设计模型决定。

10、进一步的，通过多物理智能逆向设计模型确定相关结构参数的方法包括：将所需多物理性能输入多物理智能逆向设计模型，所述多物理智能逆向设计模型自动输出相关结构参数。

11、进一步的，所述多物理智能逆向设计模型的训练方法包括：将电磁性能、温度性能、力学性能输入至多物理智能逆向设计模型中，并在迭代过程中计算以下三种误差：模型输出的结构参数和真实值误差，即几何误差；正向网络预测的多物理性能和目标多物理性能误差，即性能误差；多物理模型计算出的多物理特征和由输入提取的目标多物理特征误差，即多物理误差。其中，几何误差及性能误差驱动模型的数据拟合，多物理模型提供多物理机制提升模型关键多物理特征的目标符合度。将三种误差之和反馈给逆向设计模型更新网络参数，在此混合方式下完成网络训练。设计时，将需求的多物理性能输入至训练完成的模型，其自动给出相关结构参数。结合上述频率选择单元的基本结构，即可完成一个完整设计过程。

12、本发明的有益效果为：

13、本发明提供一种多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，所述超材料结构中频率选择单元的具体结构数值由多物理智能逆向设计模型确定，所述多物理智能逆向设计模型适应多物理场景，依据此模型能根据多物理性能需求变化快速调整基于基本单元的具体结构数值。本发明的超材料结构在0.6-2.7ghz频段内呈现低频带阻、高频带通特性，且过渡带陡峭。此外，该超材料结构的结构具有良好的温度特性，在功率为50w的电磁波照射下，在0.6-2.7ghz频段内的稳态温度升高不超过10℃。

技术特征：

1.一种多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，包括周期性排布的若干频率选择单元；所述频率选择单元包括rt5880介质基底以及设于介质基底一侧表面的薄金属贴片。

2.根据权利要求1所述的多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，所述介质基底的厚度为1mm；所述薄金属贴片的厚度不大于0.5mm。

3.根据权利要求1所述的多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，所述介质基底为正方形，边长50mm。

4.根据权利要求1所述的多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，所述频率选择单元的结构呈中心对称，所述薄金属贴片包括两个类z形金属贴片、一个中心连接方形环的耶路撒冷十字金属贴片和四个l形金属贴片；所述耶路撒冷十字金属贴片的阻臂与所述介质基底的四边平行，所述耶路撒冷十字金属贴片的十字臂与阻臂垂直向内延伸与方形环连接，所述耶路撒冷十字金属贴片的十字臂与方形环形成的空隙处设有所述l形金属贴片，且所述l形金属贴片的直角边与方形环的直角边平行；所述类z形金属贴片位于所述耶路撒冷十字金属贴片的方形环的中心位置，且两个类z形金属贴片夹角为90°。

5.根据权利要求4所述的多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，所述类z形金属贴片的始端和末端各包含一段曲折部分。

6.根据权利要求1所述的多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，所述薄金属贴片的边缘与所述介质基底边缘之间留有缝隙。

7.根据权利要求1所述的多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，所述频率选择单元中影响调谐和温度分布的相关结构参数由多物理智能逆向设计模型决定。

8.根据权利要求7所述的多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，通过多物理智能逆向设计模型确定相关结构参数的方法包括：将所需多物理性能输入多物理智能逆向设计模型，所述多物理智能逆向设计模型自动输出相关结构参数。

9.根据权利要求7所述的多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，其特征在于，所述多物理智能逆向设计模型的训练方法包括：将电磁性能、温度性能、力学性能输入至多物理智能逆向设计模型中，并在迭代过程中计算以下三种误差：模型输出的结构参数和真实值误差，即几何误差；正向网络预测的多物理性能和输入的目标多物理性能误差，即性能误差；多物理模型计算出的多物理特征和由输入提取的目标多物理特征误差，即多物理误差；将三种误差之和反馈给逆向模型更新网络参数以完成训练。

技术总结本发明公开了一种多物理机理与数据融合智能设计的透反一体超材料结构，包括周期性排布的若干频率选择单元；所述频率选择单元包括RT5880介质基底以及设于介质基底一侧表面的薄金属贴片。本发明的超材料结构基本性能表现为可以实现在0.6‑2.7GHz工作频段内的低频带反射波、高频带透波且过渡带陡峭；同时该超材料结构具备稳定的多物理性能，在较高功率电磁波照射下，该超材料结构能在上述频段内维持较低的温升。本发明可以根据实际需求调整特定单元结构和多物理模型来实现频段内不同的透反特性和温度特性。技术研发人员：卢扬,魏准受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25