電磁超材料吸波結構的研究及優化

劉亞斗　韓松昊

摘 要：希波材料主要是能夠消耗進入材料中的電磁波，從而將透射和反射效果有效降低的材料。本文據此首先分析了電磁超材料的結構，隨后文章介紹了電磁超材料吸波結構的優化流程，例如系統流程、實現方式、優化算法以及腳本調用等過程，希望能給相關人士提供一些參考。

關鍵詞：電磁超材料；吸波結構；優化算法

引言：吸波材料的應用范圍比較廣泛，隨著科學水平的不斷提高，電磁波在我們生活空間中的分布密度也逐漸增大，人們也逐漸意識到電磁波對人體的不良影響，手機中發出的輻射會對精密的醫療器械產生影響，從而延誤救治過程；同時電磁波也會干擾到飛機的正常飛行；當計算機出現電磁泄漏問題時，就會造成信息遺失，或是信息被盜問題。而吸波材料不僅能夠有效降低電磁波所產生的影響，同時還能起到防御作用，具有廣泛的應用前景。

一、電磁超材料吸波結構

在設計吸波結構時，首先要了解其自身性能，例如入射角穩定性、稀薄寬帶以及吸波率等性能。吸波率主要是通過對介質層厚度以及電諧振結構尺寸進行調節來調整電磁的強度。吸波結構中的吸波帶寬主要是通過諧振原理來進行的，諧振位置分布一個較為狹窄的吸波峰，盡管可以對多諧振結構進行有效設計來時帶寬擴大，但同時也會削弱吸波率，由此窄帶的使用范圍更廣。同時在設計中可以選擇一些較為穩定的結構作為中心對稱機構，例如六邊形、十字形以及三叉形等都是較為穩固的形狀。

二、電磁超材料吸波結構的優化

（一）系統流程

在吸波結構的優化過程中本文主要介紹了兩種算法，一種是粒子群算法，一種是遺傳算法，這兩種的算法過程基本類似，而兩者之間的差異就是多了新變量生成這一過程。遺傳算法是通過變異、交叉與選擇等步驟而產生新變量，而粒子群算法則是利用集體和個體的歷史來計算出最優值來明確新變量。適應度屬于遺傳算法中的專用語言，表明變量在當前這個族群中對于優化目標的適應能力，也能夠展示出解的好壞。例如正弦函數中，假設要在x在0到π的范圍內求得sin（x）在最大值時的x，這種情況下sin（x）就是適應函數，而最終所得的函數值就是適應度。我們的任務就是將仿真電磁融入到解析適應度的算式中，從而對結果進行相應的處理，來得出適應度，從而將其在應用到優化算法當中，在繼續優化過程。

（二）實現方式

要想完成優化算法，要借助MATLAB的幫助來進行，這種數據結構具有簡單易操作的特性，算法描述也較為方便清晰，同時具備大量的學習資源，比較適合在對算法進行靈活調整以及算法的快速編寫中使用[1]。仿真軟件功能的調用一般會利用腳本來進行，如今仿真軟件中的大部分都可以使用腳本來進行調整。例如VBS就可以使用HFSS，而VBA可以使用CST，利用腳本來有效控制軟件系統，本文中主要介紹了通過HFSS來對仿真軟件進行相應的調整。

（三）優化算法

在設計過程中程序人員經常會遇到優化問題，為了解決優化問題，許多優化算法也被提出來，例如粒子算法、模擬算法以及爬山算法等。爬山算法的應用過程較為簡潔，這種算法每次都將距離空間最近的新更值作為最優值，一直到在區域中的最優解。算法運行過程簡單，但比較容易直接得出局部的最優解，導致在運算結束后得不到全局的最優解[2]。和爬山算法相比，模擬算法在全局計算方面有更好的計算能力，能夠得出全局最優值，在實際搜索中還添加了隨機性，也就是將概率比和解之間的差作為最優解，從而得到更好的搜索解。粒子算法主要是通過模仿鳥群的聚集行為以及覓食行為來進行全局隨機搜索。算法PSO較為簡單，參數較少，收斂速度快，因此被廣泛應用于工程實踐當中。粒子就是一種變量，而粒子位置就是變量值。變量就是空間中粒子的移動。首先可以將粒子放置在空間當中，也就是粒子的初始化位置，在經過計算后就可以得出兩種最優適應度。粒子個體的最優解P以及粒子最高適應度，全局最優解PG=max（p1，p2，…，Pn）。并利用專門變量來儲存粒子的位置和適應度，而粒子在移動后的位置就是更好的最優適應度。

（四）腳本調用

本文所使用的仿真軟件是Ansys生產的High Frequency Structure Simulator簡稱HFSS，這種軟件的計算準確度較高，同時功能比較強大，因此被廣泛使用，在HFSS的支持下，對VBS的腳本語言進行調整，幾乎可以將所有軟件操作都利用腳本來完成。例如可以建立立方體的腳本模型，Editor.CreateBox Array（“NAME：BoxParameters”，“CoordinateSystemID：=”，-1，“XPosition：=”，“-1mm”，“YPosition：=”，“-1mm”，“ZPosition：=”，“0mm”，“XSize：=”，“2mm”，“YSize：=”，“2mm”，“ZSize：=”，“4mm”），由此我們能夠看出函數的參數較為復雜，假如腳本中的所有內容都是根據文件來進行手寫，不但會增加消耗時間，還會留下各種錯誤隱患，但HFSS中具有錄制腳本的功能，因此可以將相關操作轉變成腳本，在通過少量的手動調整，就可以投入使用，從而能夠有效提高腳本的運行速度。在運行MATLAB的優化算法過程中，對HFSS進行調整主要就是利用VBS的作用，就是在MATLAB完成VBS腳本后，在通過VBS來啟動HFSS實施仿真運算，最后在利用MATLAB來讀取相應的計算結果，其中HFSS也不再是一種主體，轉而成為其中的一個模塊，而VBS的生成方法是利用MATLAB來進行操作的。

結語：綜上所述，隱身技術一直是軍事發展中的研究重點，例如對地面的重要建筑進行隱身，或是促進船艦或是飛機的隱身，從而能夠在軍事攻防中占據極大的優勢，電磁波的出現不僅能夠降低電磁危害，同時還能幫助電磁場進行準確測量，微波材料在多種領域中都能起到重要的作用。

參考文獻：

[1]王玲玲. 新型電磁超材料吸波器研究[D].南京航空航天大學，2017.

[2]詹傳漢. 電磁超材料吸波結構的設計與分析[D].西安電子科技大學，2015.