用于分析超表面结构的高效全波仿真方法研究

Meta-surface can realize electromagnetic wave-front control, and has many possible applications. Due to the restriction of computational capacity, the full-wave simulation of this new technique becomes a big challenge, and it affects the further promotion of this structure. This project is based on the previous research works of the applicant, and it aims to develop a highly efficient electromagnetic simulation tool for the proposed meta-surface design. This project includes the following research topics: the analysis of multi-layered problem, fast integral equation solver, meta-surface based acceleration method. The applicant intends to design this simulation tool using the following new techniques: interpolation method based on Green's functions for multi-layered media, RBF-QR method, non-uniform interpolation point distribution, hybrid 2D/3D interpolation, cross-level translation and so on. The implementation of this project will not only contribute to the design and promotion of the proposed new structure, but also provide reliable ideas for simulation tools of other applications, and it is of great scientific significance.

超表面结构可以实现电磁波波前调控，具有广泛的研究及应用前景，但受计算容量等方面的限制，这类结构的全波仿真存在一定问题，也影响了这类新颖结构的进一步推广。本项目在申请人前期对快速算法研究的基础上，拟开发适合于超表面结构的高效全波电磁仿真软件。本项目包括以下几个主要研究内容：超表面单元结构的快速仿真算法、基于多平面分层格林函数的超表面整体仿真算法、针对超表面结构的优化加速仿真算法。申请人拟采用多项创新技术，包括基于多平面分层格林函数的多层格林函数插值算法、适用于大分组的非均匀点排布及适用于小分组的RBF-QR算法、二维/三维混合插值技术及跨层技术等，完成所提出的超表面仿真软件。本项目的实施不但有助于此类新型结构的设计与推广，也可以为其他应用的仿真算法提供可靠的设计思想，具有重要的科学意义和应用价值。

超表面结构是目前电磁领域热门的研究方向，但是其仿真设计上面临诸多难题。本项目重点解决超表面由于单元结构复杂、单元众多，目前电磁仿真软件计算困难的难点。首先，本项目通过使用RBF-QR及混合插值点排布，解决了多层格林函数插值算法（MLGFIM）这种快速算法针对不同尺度的插值稳定性问题并提高了插值效率。保证超表面单元的仿真精度与效率。其次，本项目把平面分层格林函数引入MLGFIM，大大降低了超表面整体仿真时的未知数个数。结合之前的插值改进，同时引入并行技术，使得算法可以满足大规模超表面仿真的要求。最后，我们针对超表面结构实现了优化加速。针对超表面扁平或者条状结构的特点，对MLGFIM的分组方法做了改进。针对超表面贴片众多的特点，开发了准二维/三维混合插值及跨层技术。我们还引入了快速傅里叶变换及预处理技术，使得仿真效率进一步加强。此外，除了原研究内容，我们还研究了把人工智能（AI）技术引入电磁仿真，来进行超表面分析的可能。.通过三年的项目执行，我们不光解决了超表面仿真上的效率难题，形成了若干有用的创新算法，还开发出了一整套完整的包括单元设计、优化及整体大规模超表面仿真的计算程序。利用该计算程序，项目组还设计了多种超表面天线、阵列天线、MIMO天线、频率选择表面、谐振器、集成电路器件等，验证了算法的有效性，扩展了算法的适用范围，形成了很多新的设计，并探索程序在集成电路等更小维度上应用的可能。本项目的实施在一定程度上解决了超表面仿真与设计难题，促进了超表面及相关结构仿真算法的发展，具有重要的科学和应用价值。.在本项目的支持下，累计发表SCI论文10篇、EI收录会议论文5篇，申请发明专利1项。以本项目的研究内容为基础，项目负责人把算法转换成仿真软件，并进一步获得科技部国家重点研发计划“基于高性能计算的集成电路电子设计自动化（EDA）平台”的子课题，相关软件也在天河超算机上提供服务。另外，项目负责人在项目执行期间晋升副教授，并合计培养研究生8人。