電磁超材料吸波結(jié)構(gòu)的研究及優(yōu)化

劉亞斗　韓松昊

摘 要：希波材料主要是能夠消耗進(jìn)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(jù)此首先分析了電磁超材料的結(jié)構(gòu)，隨后文章介紹了電磁超材料吸波結(jié)構(gòu)的優(yōu)化流程，例如系統(tǒng)流程、實(shí)現(xiàn)方式、優(yōu)化算法以及腳本調(diào)用等過(guò)程，希望能給相關(guān)人士提供一些參考。

關(guān)鍵詞：電磁超材料；吸波結(jié)構(gòu)；優(yōu)化算法

引言：吸波材料的應(yīng)用范圍比較廣泛，隨著科學(xué)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(shí)到電磁波對(duì)人體的不良影響，手機(jī)中發(fā)出的輻射會(huì)對(duì)精密的醫(yī)療器械產(chǎn)生影響，從而延誤救治過(guò)程；同時(shí)電磁波也會(huì)干擾到飛機(jī)的正常飛行；當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)電磁泄漏問(wèn)題時(shí)，就會(huì)造成信息遺失，或是信息被盜問(wèn)題。而吸波材料不僅能夠有效降低電磁波所產(chǎn)生的影響，同時(shí)還能起到防御作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

一、電磁超材料吸波結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)吸波結(jié)構(gòu)時(shí)，首先要了解其自身性能，例如入射角穩(wěn)定性、稀薄寬帶以及吸波率等性能。吸波率主要是通過(guò)對(duì)介質(zhì)層厚度以及電諧振結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整電磁的強(qiáng)度。吸波結(jié)構(gòu)中的吸波帶寬主要是通過(guò)諧振原理來(lái)進(jìn)行的，諧振位置分布一個(gè)較為狹窄的吸波峰，盡管可以對(duì)多諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)來(lái)時(shí)帶寬擴(kuò)大，但同時(shí)也會(huì)削弱吸波率，由此窄帶的使用范圍更廣。同時(shí)在設(shè)計(jì)中可以選擇一些較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為中心對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)，例如六邊形、十字形以及三叉形等都是較為穩(wěn)固的形狀。

二、電磁超材料吸波結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

（一）系統(tǒng)流程

在吸波結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)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(guò)程基本類(lèi)似，而兩者之間的差異就是多了新變量生成這一過(guò)程。遺傳算法是通過(guò)變異、交叉與選擇等步驟而產(chǎn)生新變量，而粒子群算法則是利用集體和個(gè)體的歷史來(lái)計(jì)算出最優(yōu)值來(lái)明確新變量。適應(yīng)度屬于遺傳算法中的專(zhuān)用語(yǔ)言，表明變量在當(dāng)前這個(gè)族群中對(duì)于優(yōu)化目標(biāo)的適應(yīng)能力，也能夠展示出解的好壞。例如正弦函數(shù)中，假設(shè)要在x在0到π的范圍內(nèi)求得sin（x）在最大值時(shí)的x，這種情況下sin（x）就是適應(yīng)函數(shù)，而最終所得的函數(shù)值就是適應(yīng)度。我們的任務(wù)就是將仿真電磁融入到解析適應(yīng)度的算式中，從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，來(lái)得出適應(yīng)度，從而將其在應(yīng)用到優(yōu)化算法當(dāng)中，在繼續(xù)優(yōu)化過(guò)程。

（二）實(shí)現(xiàn)方式

要想完成優(yōu)化算法，要借助MATLAB的幫助來(lái)進(jìn)行，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單易操作的特性，算法描述也較為方便清晰，同時(shí)具備大量的學(xué)習(xí)資源，比較適合在對(duì)算法進(jìn)行靈活調(diào)整以及算法的快速編寫(xiě)中使用[1]。仿真軟件功能的調(diào)用一般會(huì)利用腳本來(lái)進(jìn)行，如今仿真軟件中的大部分都可以使用腳本來(lái)進(jìn)行調(diào)整。例如VBS就可以使用HFSS，而VBA可以使用CST，利用腳本來(lái)有效控制軟件系統(tǒng)，本文中主要介紹了通過(guò)HFSS來(lái)對(duì)仿真軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

（三）優(yōu)化算法

在設(shè)計(jì)過(guò)程中程序人員經(jīng)常會(huì)遇到優(yōu)化問(wèn)題，為了解決優(yōu)化問(wèn)題，許多優(yōu)化算法也被提出來(lái)，例如粒子算法、模擬算法以及爬山算法等。爬山算法的應(yīng)用過(guò)程較為簡(jiǎn)潔，這種算法每次都將距離空間最近的新更值作為最優(yōu)值，一直到在區(qū)域中的最優(yōu)解。算法運(yùn)行過(guò)程簡(jiǎn)單，但比較容易直接得出局部的最優(yōu)解，導(dǎo)致在運(yùn)算結(jié)束后得不到全局的最優(yōu)解[2]。和爬山算法相比，模擬算法在全局計(jì)算方面有更好的計(jì)算能力，能夠得出全局最優(yōu)值，在實(shí)際搜索中還添加了隨機(jī)性，也就是將概率比和解之間的差作為最優(yōu)解，從而得到更好的搜索解。粒子算法主要是通過(guò)模仿鳥(niǎo)群的聚集行為以及覓食行為來(lái)進(jìn)行全局隨機(jī)搜索。算法PSO較為簡(jiǎn)單，參數(shù)較少，收斂速度快，因此被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)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(dòng)。首先可以將粒子放置在空間當(dāng)中，也就是粒子的初始化位置，在經(jīng)過(guò)計(jì)算后就可以得出兩種最優(yōu)適應(yīng)度。粒子個(gè)體的最優(yōu)解P以及粒子最高適應(yīng)度，全局最優(yōu)解PG=max（p1，p2，…，Pn）。并利用專(zhuān)門(mén)變量來(lái)儲(chǔ)存粒子的位置和適應(yīng)度，而粒子在移動(dòng)后的位置就是更好的最優(yōu)適應(yīng)度。

（四）腳本調(diào)用

本文所使用的仿真軟件是Ansys生產(chǎn)的High Frequency Structure Simulator簡(jiǎn)稱(chēng)HFSS，這種軟件的計(jì)算準(zhǔn)確度較高，同時(shí)功能比較強(qiáng)大，因此被廣泛使用，在HFSS的支持下，對(duì)VBS的腳本語(yǔ)言進(jìn)行調(diào)整，幾乎可以將所有軟件操作都利用腳本來(lái)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(shù)的參數(shù)較為復(fù)雜，假如腳本中的所有內(nèi)容都是根據(jù)文件來(lái)進(jìn)行手寫(xiě)，不但會(huì)增加消耗時(shí)間，還會(huì)留下各種錯(cuò)誤隱患，但HFSS中具有錄制腳本的功能，因此可以將相關(guān)操作轉(zhuǎn)變成腳本，在通過(guò)少量的手動(dòng)調(diào)整，就可以投入使用，從而能夠有效提高腳本的運(yùn)行速度。在運(yùn)行MATLAB的優(yōu)化算法過(guò)程中，對(duì)HFSS進(jìn)行調(diào)整主要就是利用VBS的作用，就是在MATLAB完成VBS腳本后，在通過(guò)VBS來(lái)啟動(dòng)HFSS實(shí)施仿真運(yùn)算，最后在利用MATLAB來(lái)讀取相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，其中HFSS也不再是一種主體，轉(zhuǎn)而成為其中的一個(gè)模塊，而VBS的生成方法是利用MATLAB來(lái)進(jìn)行操作的。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述，隱身技術(shù)一直是軍事發(fā)展中的研究重點(diǎn)，例如對(duì)地面的重要建筑進(jìn)行隱身，或是促進(jìn)船艦或是飛機(jī)的隱身，從而能夠在軍事攻防中占據(jù)極大的優(yōu)勢(shì)，電磁波的出現(xiàn)不僅能夠降低電磁危害，同時(shí)還能幫助電磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，微波材料在多種領(lǐng)域中都能起到重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)，2017.

[2]詹傳漢. 電磁超材料吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[D].西安電子科技大學(xué)，2015.