单元近耦合条件下的电磁超表面分析、优化与实验验证研究

With the development of metasurface researches in military and industry, conventional analysis and design methods can not satisfy the requirements of metasurfaces for accurate and high efficiency electromagnetic field modulation. To consider the near couplings from neighboring units in metasurface array optimizations is one of the effective trends for solving the above problem. In this proposal, we combine the advanced computational multiscale analysis method and deep learning method to extract the electromagnetic responses of metasurface units with near couplings effectively, then the challenges arising from large computation difficulty in optimizations can be solved. The main research contents of this project are: the effects arising from the near couplings for the electromagnetic field modulation efficiency, deep learning based method to extract the metasurface units electromagnetic responses, space mapping based optimization method for metasurface, and experiments verification of the designed metasurface. This project is a further study of metasurface design and optimization theory, it can provide new strategies for high efficiency metasurface design. The results of this research is of very important meaning for microwave and optics frequency metasurface design, it will have wide applications in military, aerospace, and industry fields.

随着电磁超表面在军民两用方面研究的不断发展，传统的分析与设计方法已经不能满足其电磁场精确、高效调控的需求，考虑单元近耦合是电磁超表面高效设计的趋势之一。本项目结合计算电磁学中多尺度电磁分析方法和深度学习快速提取考虑近耦合的超表面单元电磁响应适应值的优势，可以有效解决单元近耦合条件下超表面优化计算量大的难题。项目的主要研究内容包括单元近耦合对超表面的电磁场调控效率的影响、基于深度学习的计算电磁学电磁超表面快速分析方法、电磁超表面空间映射方法优化设计、典型电磁超表面波束调控效率实验验证。本项目是对电磁超表面分析与设计基本理论的进一步深化，为高效率电磁超表面设计提供新的研究手段。项目研究成果对研究高效率的超表面微波、光学器件具有重要的理论支撑意义，在军事、航天、工业等领域具有广泛的应用前景。

随着电磁超表面在军民两用方面研究的不断发展，传统的分析与设计方法已经不能满足其电磁场精确、高效调控的需求，考虑单元近耦合是设计高效率电磁超表面的关键。项目结合计算电磁学中多尺度电磁分析方法和深度学习算法，解决近耦合条件下的电磁超表面高效优化设计所面临的科学难题。通过项目研究，完成了电磁超表面近场耦合对超表面电磁场调控效率影响规律提取；完了基于矩量法、时域有限差分方法等多尺度电磁分析方法对电磁超表面的全波分析，建立考虑耦合的超表面电磁响应数据库；完成了基于特征模方法的电磁超表面设计，通过模式调控理论，指导调控二极管加载位置；在优化方法方面，研究了空间映射分析方法，利用所研究的基于深度学习的近耦合电磁超表面优化设计方法，实现了近耦合超表面设计软件。完成典型微波和光学电磁超表面的设计，实现对电磁波聚焦、雷达散射截面积、多普勒调控、一维和二维像调控，通过实验测试验证了设计方法的有效性。依托本项目以第一和通讯作者发表SCI论文11篇，其中领域顶级期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation论文4篇、邀请综述1篇，受邀国际会议特邀报告4次；第一发明人申请国家发明专利6项、国防发明专利2项；负责人入选江苏省青蓝工程中青年学术带头人、ACES青年科学家奖，获批国家自然科学基金优青项目，指导学生获得2次国际计算电磁应用会议最佳学生论文一等奖；培养硕士毕业生5名、在读博士生6名、硕士生4名。研究成果对于电磁隐身等具有显著的支撑作用。