电磁超材料吸波结构的研究及优化

刘亚斗　韩松昊

摘 要：希波材料主要是能够消耗进入材料中的电磁波，从而将透射和反射效果有效降低的材料。本文据此首先分析了电磁超材料的结构，随后文章介绍了电磁超材料吸波结构的优化流程，例如系统流程、实现方式、优化算法以及脚本调用等过程，希望能给相关人士提供一些参考。

关键词：电磁超材料；吸波结构；优化算法

引言：吸波材料的应用范围比较广泛，随着科学水平的不断提高，电磁波在我们生活空间中的分布密度也逐渐增大，人们也逐渐意识到电磁波对人体的不良影响，手机中发出的辐射会对精密的医疗器械产生影响，从而延误救治过程；同时电磁波也会干扰到飞机的正常飞行；当计算机出现电磁泄漏问题时，就会造成信息遗失，或是信息被盗问题。而吸波材料不仅能够有效降低电磁波所产生的影响，同时还能起到防御作用，具有广泛的应用前景。

一、电磁超材料吸波结构

在设计吸波结构时，首先要了解其自身性能，例如入射角稳定性、稀薄宽带以及吸波率等性能。吸波率主要是通过对介质层厚度以及电谐振结构尺寸进行调节来调整电磁的强度。吸波结构中的吸波带宽主要是通过谐振原理来进行的，谐振位置分布一个较为狭窄的吸波峰，尽管可以对多谐振结构进行有效设计来时带宽扩大，但同时也会削弱吸波率，由此窄带的使用范围更广。同时在设计中可以选择一些较为稳定的结构作为中心对称机构，例如六边形、十字形以及三叉形等都是较为稳固的形状。

二、电磁超材料吸波结构的优化

（一）系统流程

在吸波结构的优化过程中本文主要介绍了两种算法，一种是粒子群算法，一种是遗传算法，这两种的算法过程基本类似，而两者之间的差异就是多了新变量生成这一过程。遗传算法是通过变异、交叉与选择等步骤而产生新变量，而粒子群算法则是利用集体和个体的历史来计算出最优值来明确新变量。适应度属于遗传算法中的专用语言，表明变量在当前这个族群中对于优化目标的适应能力，也能够展示出解的好坏。例如正弦函数中，假设要在x在0到π的范围内求得sin（x）在最大值时的x，这种情况下sin（x）就是适应函数，而最终所得的函数值就是适应度。我们的任务就是将仿真电磁融入到解析适应度的算式中，从而对结果进行相应的处理，来得出适应度，从而将其在应用到优化算法当中，在继续优化过程。

（二）实现方式

要想完成优化算法，要借助MATLAB的帮助来进行，这种数据结构具有简单易操作的特性，算法描述也较为方便清晰，同时具备大量的学习资源，比较适合在对算法进行灵活调整以及算法的快速编写中使用[1]。仿真软件功能的调用一般会利用脚本来进行，如今仿真软件中的大部分都可以使用脚本来进行调整。例如VBS就可以使用HFSS，而VBA可以使用CST，利用脚本来有效控制软件系统，本文中主要介绍了通过HFSS来对仿真软件进行相应的调整。

（三）优化算法

在设计过程中程序人员经常会遇到优化问题，为了解决优化问题，许多优化算法也被提出来，例如粒子算法、模拟算法以及爬山算法等。爬山算法的应用过程较为简洁，这种算法每次都将距离空间最近的新更值作为最优值，一直到在区域中的最优解。算法运行过程简单，但比较容易直接得出局部的最优解，导致在运算结束后得不到全局的最优解[2]。和爬山算法相比，模拟算法在全局计算方面有更好的计算能力，能够得出全局最优值，在实际搜索中还添加了随机性，也就是将概率比和解之间的差作为最优解，从而得到更好的搜索解。粒子算法主要是通过模仿鸟群的聚集行为以及觅食行为来进行全局随机搜索。算法PSO较为简单，参数较少，收敛速度快，因此被广泛应用于工程实践当中。粒子就是一种变量，而粒子位置就是变量值。变量就是空间中粒子的移动。首先可以将粒子放置在空间当中，也就是粒子的初始化位置，在经过计算后就可以得出两种最优适应度。粒子个体的最优解P以及粒子最高适应度，全局最优解PG=max（p1，p2，…，Pn）。并利用专门变量来储存粒子的位置和适应度，而粒子在移动后的位置就是更好的最优适应度。

（四）脚本调用

本文所使用的仿真软件是Ansys生产的High Frequency Structure Simulator簡称HFSS，这种软件的计算准确度较高，同时功能比较强大，因此被广泛使用，在HFSS的支持下，对VBS的脚本语言进行调整，几乎可以将所有软件操作都利用脚本来完成。例如可以建立立方体的脚本模型，Editor.CreateBox Array（“NAME：BoxParameters”，“CoordinateSystemID：=”，-1，“XPosition：=”，“-1mm”，“YPosition：=”，“-1mm”，“ZPosition：=”，“0mm”，“XSize：=”，“2mm”，“YSize：=”，“2mm”，“ZSize：=”，“4mm”），由此我们能够看出函数的参数较为复杂，假如脚本中的所有内容都是根据文件来进行手写，不但会增加消耗时间，还会留下各种错误隐患，但HFSS中具有录制脚本的功能，因此可以将相关操作转变成脚本，在通过少量的手动调整，就可以投入使用，从而能够有效提高脚本的运行速度。在运行MATLAB的优化算法过程中，对HFSS进行调整主要就是利用VBS的作用，就是在MATLAB完成VBS脚本后，在通过VBS来启动HFSS实施仿真运算，最后在利用MATLAB来读取相应的计算结果，其中HFSS也不再是一种主体，转而成为其中的一个模块，而VBS的生成方法是利用MATLAB来进行操作的。

结语：综上所述，隐身技术一直是军事发展中的研究重点，例如对地面的重要建筑进行隐身，或是促进船舰或是飞机的隐身，从而能够在军事攻防中占据极大的优势，电磁波的出现不仅能够降低电磁危害，同时还能帮助电磁场进行准确测量，微波材料在多种领域中都能起到重要的作用。

参考文献：

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

[2]詹传汉. 电磁超材料吸波结构的设计与分析[D].西安电子科技大学，2015.