(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211257817.8 (22)申请日 2022.10.13 (71)申请人 太原理工大 学 地址 030024 山西省太原市迎泽西大街79 号 (72)发明人 谢刚　刘彦　赵文晶　 (74)专利代理 机构 太原科卫专利事务所(普通 合伙) 1410 0 专利代理师 张恒恒 (51)Int.Cl. G06F 30/398(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/00(2006.01) G06F 119/06(2020.01) (54)发明名称 金属谐振层的设计方法及三频段宽带超表 面能量收集器 (57)摘要 本发明涉及能量收集装置技术领域， 具体涉 及一种金属谐振层的设计方法及三频段宽带超 表面能量收集器。 设计方法包括： S1.预设参数； S2.根据S1预设好的参数， 在CS T中生成除金属谐 振层以外的结构； S3.以与中间介质层同轴的正 方形作为金属谐振层的基础形状并划分为若干 方格， 采用0 ‑1矩阵进行描述， 随机生成初始种 群， 并在CS T中生成金属谐振层； S4.在CS T中构建 电磁仿真模型， 获取目标频段的反射系数； S5.以 目标频段的反射系数作为适应度函数并设定阈 值， 采用粒子群算法计算种群的最优值； S6.以步 骤S5确定的种群的最优值在CS T中生成金属谐振 层。 本发明提供的设计方法节省了大量的人力和 计算机资源， 并且能够有效的避免人为设计过程 中存在的局部最优问题。 权利要求书1页 说明书6页 附图8页 CN 115510805 A 2022.12.23 CN 115510805 A 1.一种金属谐振层的设计方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1.预设： 结构的目标谐振频段； 中间介质层 （3） 的材料、 厚度； 底层 金属板 （4） 和金属谐 振层 （1） 的材 料、 厚度； 金属通 孔 （2） 位置及半径； S2.根据S1预设好的参数， 在CST中生成除金属谐振层 （1） 以外的结构； S3.以与中间介质层 （3） 同轴的正方形作 为金属谐振层 （1） 的基础形状并划分为若干方 格， 采用0 ‑1矩阵进行描述， 0表 示空白， 1表 示方格被金属覆盖， 在MATLAB中赋予金属谐振层 （1） 初始种群数和最大迭代次数， 随机生成初始种群， 并根据所述初始种群生成代表金属谐 振层 （1） 的初始编码矩阵； S4.结合步骤S2和步骤S3， 在CST中构建电磁仿真模型， 获取目标 频段的反射系数； S5.以目标频段的反射系数作为适应度函数并设定阈值， 采用粒子群算法计算种群的 最优值： 通过CST ‑MATLAB联合仿真， 将目标频段的反射系数导入MATLAB中， 计算粒子的适应 度， 若满足适应度函数阈值则结束循环， 此时对应的种群为最优值； 若不满足适应度函数阈 值则根据粒子群算法更新每个粒子的速度和位置， 再次进行电磁仿 真， 并计算粒子适应度， 如此循环迭代， 直至满足适应度函数阈值， 此时对应的种群为 最优值； S6.以步骤S5确定的种群的最优值在CST中生成金属谐振层 （1） ， 完成设计。 2.根据权利要求1所述的金属谐振层的设计方法， 其特征在于， 在步骤S3中， 首先将金 属谐振层 （1） 以正方形作为基本图形， 并将正方形的两条中线为基线分割为四个目标单元， 将单个目标单元划分为若干方格进行设计； 经过步骤S4和步骤S5确定种群最优值后， 分别 以两条中线为对称轴两次对称设计得到整个金属谐振层 （1） 。 3.一种三频段宽带超表面 能量收集器， 由若干周期单元组成， 其特征在于， 所述周期单 元包括： 金属谐振层 （1） ， 包括边框 （11） 和四个L型条 （12） ， 所述边框 （11） 围成正方形， 四个所述 L型条 （12） 分别与所述边框 （11） 的四个角围成正方形空隙 （13） ， 四个所述L型条 （12） 之间形 成位于所述金属谐振层 （1） 中心处的十字空隙 （14） ， 所述边框 （11） 的四个角部开设有金属 通孔 （2） ； 中间介质层 （3） ， 其位于所述金属谐振层 （1） 的下方， 所述 中间介质层 （3） 的平行于所述 金属谐振层 （1） 的截面为正方形， 所述截面与所述金属谐振层 （1） 同轴， 所述截面的边与所 述金属谐振层 （1） 的边分别平行， 所述截面的边长大于所述金属谐振层 （1） 的边长； 底层金属板 （4） ， 其位于所述 中间介质层 （3） 的下方， 所述底层 金属板 （4） 的板面形状和 板面大小皆与所述截面相同， 所述底层金属板 （4） 的板面与所述截面同轴， 所述底层金属板 （4） 的边与所述截面的边分别平行， 所述底层金属 板 （4） 的四个角部开设有圆孔 （41） ， 所述 圆孔 （41） 与所述金属通孔 （2） 同轴， 所述圆孔 （41） 的直径大于所述金属通孔 （2） 的直径， 所 述金属通孔 （2） 贯穿所述中间介质层 （3） 并延伸至所述圆孔 （41） 内， 所述金属通孔 （2） 的孔 壁通过电阻负载 （5） 与所述圆孔 （41） 的孔 壁连接。 4.根据权利要求1所述的三频段宽带超表面能量收集器， 其特征在于， 所述边框 （11） 的 单边长度为19.2mm、 宽度为0.6mm， 所述L型条 （12） 的宽度为1.2mm， 所述十字空隙 （14） 的宽 度为1.2mm， 所述中间介质层 （3） 的材料为F4B、 厚度为5.5mm， 所述底层金属板 （4） 和金属谐 振层 （1） 的材料为铜、 厚度为0.035mm； 所述金属通孔 （2） 的圆心与所述金属谐振层 （1） 的中 心处相距 9.1mm， 所述金属通 孔 （2） 的半径为0.12m m。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115510805 A 2金属谐振层的设计方 法及三频段宽带 超表面能量收集器 技术领域 [0001]本发明涉及能量收集装置技术领域， 尤其涉及一种金属谐振层的设计方法及 三频 段宽带超表面能量收集器。 背景技术 [0002]超材料是一种由小型电谐振器构成的具有负磁导率和负介电常数的人工合成材 料， 具备自然材料所没有的超常物理性质， 具有小型化、 单位面积内高吸收效率的特点。 基 于电磁超材料 的能量收集器是 由超材料吸波器结构演变得到， 其由若干周期单元组成， 每 个周期单元包括从上至下依 次设置的金属谐振层、 中间介质层和底层金属板， 金属谐振层 开设有圆形 的金属通孔， 金属 通孔贯穿中间介质层到达底层金属板， 底层金属板上同轴开 设直径大于金属通 孔的圆孔， 圆孔与金属通 孔通过电阻负载 连接。 [0003]基于电磁超材料的能量收集器中， 中间介质层和底层金属板一般设计为正方形， 结构较为简单， 设计较为容易， 但金属谐振层一般设计的形状相对较为复杂， 设计难度较 大。 现有金属谐振层一般通过模 型设计、 参数扫描和手工优化等步骤， 需耗费大量人力与计 算机资源； 并且， 人工 设计的方式也容易使 结构陷入局部最优， 不能具备在该限定条件下最 优的性能。 发明内容 [0004]为克服现有金属谐振层人工设计需耗费人力物力较大且易陷入局部最优的技术 缺陷， 本发明提供了一种金属谐振层的设计方法及三频 段宽带超表面能量收集器。 [0005]本发明提供的金属谐振层的设计方法， 包括如下步骤： [0006]S1.预设： 结构的目标谐振频段； 中间介质层的材料、 厚度； 底层金属板和金属谐振 层的材料、 厚度； 金属通 孔位置及半径； [0007]S2.根据S1预设好的参数， 在CST中生成除金属谐振层以外的结构； [0008]S3.以与中间介质层同轴的正方形作为金属谐振层的基础形状并划分为若干方 格， 采用0 ‑1矩阵进行描述， 0表 示空白， 1表 示方格被金属覆盖， 在MATLAB中赋予金属谐振层 初始种群数和 最大迭代次数， 随机生成初始种群， 并根据所述初始种群生成代表金属谐振 层的初始编码矩阵； [0009]S4.结合步骤S2和步骤S3， 在CST中构建电磁仿真模型； [0010]S5.以目标频段的反射系数作为适应度函数并设定阈值， 采用粒子群算法计算种 群的最优值： 通过CST ‑MATLAB联合仿真， 将目标频段的反射系数导入MATLAB中， 计算粒子的 适应度， 若满足适应度函数阈值则结束循环， 此时对应的种群为最优值； 若不满足适应度函 数阈值则根据粒子群算法更新每个粒子的速度和位置， 再次进行电磁仿真， 并计算粒子适 应度， 如此循环迭代， 直至满足适应度函数阈值， 此时对应的种群为 最优值； [0011]S6.以步骤S5确定的种群的最优值在CST中生成金属谐振层， 完成设计。 [0012]可选的， 在步骤S3中， 首先将金属谐振层以正方形作为基本图形， 并将正方形的两说　明　书 1/6 页 3 CN 115510805 A 3