基于遗传算法的共振宽频单向散射介质天线的优化算法设计和实验验证

摘要

大数据时代让现有光通信设施不再能够满足人们对通信容量的需求，而这种巨大需求将会刺激光通信领域出现新的突破。光学介质天线在微纳米尺度可以实现对电磁波人工调控，并且相比于光学金属天线具有更低的欧姆损耗，因此被认为是最具潜力的集成光学器件之一。光学介质天线不仅可以应用在通信领域，在光伏太阳能电池领域和医学领域也有重要应用。但是如何准确地设计并优化天线的性能一直是困扰研究人员的问题，因此优化光学天线性能的算法研究具有重要意义。在光学天线的特性中单向散射特性的应用最为广泛，并且在应用中频带宽度是衡量其性能的重要参数指标之一，但对共振宽频单向散射光学天线的研究尚未广泛展开。根据Kerker条件，电磁偶极子的耦合作用是单向散射产生的物理机制，可以用电磁偶极子重叠表示。因此，本文提出一种最大化电磁偶极子重叠的宽频单向散射天线优化方案，这种基于物理机制分析的优化算法不但通用于各种功能性单向电磁波天线的设计，且可将推广到非线性散射优化和微波天线等领域。本文围绕着设计共振宽频单向散射天线开展了以下工作：　　(1)提出面向物理机制的设计方案：宽频单向散射天线的优化方案结合电磁多极子展开与遗传算法，根据Kerker条件将最大化电磁偶极子谐振重合作为宽频单向散射天线的优化目标。　　(2)在光纤通信波长处优化设计光学天线实现宽频单向散射：为了证明设计方案的对宽频单向散射天线设计的可行性，首先对金属-电介质混合天线进行优化，以光纤通讯波长处为中心实现宽频单向散射优化。但金属-电介质混合天线制备难度高，本文又选择与半导体工艺兼容的全介质圆柱天线进行优化，同样实现了天线的宽频单向散射现象。　　(3)为验证数值优化结果的正确性在微波波段实验验证：我们在微波波段优化了氧化铝圆柱天线使其实现宽频单向散射。我们根据优化结果制备了氧化铝圆柱天线并测量其远场散射图样与散射频谱，经过对比实验测量与数值仿真的结果，验证了本文的优化算法的优化结果的正确性。　　(4)基于仿真和实验结果的展望：本文在光纤通信波长处以及微波段设计的三种宽频单向散射天线可以作为宽带电磁散射器件的设计和应用的基础结构。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 共振单向散射

1.2.2 遗传算法优化结构参数

1.3 主要内容及结构安排

2 共振宽频单向散射优化算法的设计

2.1算法流程

2.2产生与筛选结构参数的遗传算法

2.2.1 遗传算法的优势

2.2.2 遗传算法的流程

2.2.3 优化宽频单向散射的适应度函数

2.2.4 自然选择与子代产生

2.2.5 终止迭代条件

2.2.6 基于MATLAB遗传算法箱实现遗传算法

2.3 求解电磁场的时域有限差分算法

2.3.1 时域有限差分算法的特点与应用领域

2.3.2 基于Yee网络求解麦克斯韦方程组

2.4 分解散射场的多极子展开

2.4.1 多极子展开的应用与发展

2.4.2 多极子展开系数与电磁偶极子的散射截面

2.4.3 通过解析解与数值解的对比验证本文程序的正确性

2.5 判断单向散射的Kerker条件

2.5.1 Kerker条件的研究历史

2.5.2 单向散射成立的条件

2.5.3宽频的单向散射的成立条件

2.6本章小结

3 共振宽频单向散射天线设计及实验验证

3.1 金属-电介质混合天线的宽频单向散射优化

3.1.1 金属-电介质混合天线的电磁谐振特性

3.1.2 遗传算法与仿真软件的优化设置

3.1.3金属-电介质混合天线的优化结果

3.2 全介质天线的宽频单向散射优化

3.2.1 全介质天线的电磁谐振特性

3.2.2 优化设置及其关键参数的讨论

3.2.3 全介质天线的优化结果

3.2.4 优化目标波长改变对结果的影响

3.3 设计微波实验验证优化算法的正确性

3.3.1 数值仿真设置及结果

3.3.2 实验测量值与数值仿真对比验证算法正确性

3.4 以共振重合为优化目标的优势

3.5 本章小结

4 总结与展望

4.1 工作总结

4.2 工作展望

参考文献

研究生期间发表的论文

致谢