基于微生物模版的人工电磁媒质电磁响应的多尺度效应

人工电磁媒质可以获得自然媒质无法实现的介电常数和磁导率，籍此可以获得特殊的电磁响应特征。目前设计的人工电磁媒质普遍存在工作带宽窄的缺点，其应用十分有限。如果周期单元内具有不同尺度的微结构，可能会出现多个谐振频率，更进一步，如果能在多个谐振频率附近出现负性特征，将会大大拓宽人工电磁媒质的工作带宽。本项目拟在多尺度结构微生物模版的基础上，系统研究多尺度结构单元形成多谐振频率、甚至在多个谐振频率出现负性特征的机理，利用多重网格和多尺度有限元法分析其电磁响应特征的多尺度效应；将复杂的多尺度结构拆分成不同尺度的简单结构以形成复杂多尺度结构的等效电路，利用等效电路的方法分析其电磁响应多尺度效应形成的机理。本项目的研究对设计新型人工电磁媒质具有重要的指导意义。

本项目拟在多尺度结构微生物模版的基础上，系统研究多尺度结构单元形成多谐振频率、甚至在多个谐振频率出现负性特征的机理，利用多重网格和多尺度有限元法分析其电磁响应特征的多尺度效应，利用等效电路的方法分析其电磁响应多尺度效应形成的机理。.项目首先从项目申请者积累的有限元计算方法入手，基于有限元的超收敛理论，研究自适应有限元的快速计算方法，该快速计算方法有助于进一步准确快速的研究立体结构单元的电磁特性。在此基础上，基于Fortran、C++和Matlab开发出大规模并行计算程序，计算多尺度复杂三维结构电磁功能材料的电磁特性，以此作为优化的基本计算模块，编写大规模并行优化计算软件。目前已经利用matlab和Fortran/C++成功编写出基于并行差分进化算法的优化软件，并成功优化出超薄、超宽频的多层带频率选择表面的复合结构吸波材料，基于该研究成果成功申请到某军事装备所的项目。此外，项目还采用可视化的Smith圆图和等效电路的方法，利用阻抗匹配原理快速优化多层复合结构吸波结构材料。.项目开展过程中提出了一种基于非协调有限元的区域分解算法处理非常复杂的三维多尺度模型，但后面的实现过程中验证这种处理方法收敛速度很慢，暂时放弃该方法。此外，现有经费支持的情况下，完全从培养微生物到通过显微镜提取微生物的立体结构信息有很大难度，因此项目实施过程中采取通过已有的微生物结构研究具有多尺度结构特征的微生物模版形成多谐振频率的机理:.(1) 基于枝杈状的微生物结构，设计出枝杈状的频率选择表面，该频率选择表面周期结构一方面演化为多层可调节的网孔结构超宽频建筑吸波材料，另一方面演化为蜂窝结构的立体周期结构；.(2) 基于螺旋形的微生物结构，设计出嵌套在蜂窝结构内部的螺旋形立体周期结构；.(3) 基于多尺度的微生物结构，设计出多尺寸球形颗粒堆积的立体周期结构。