从103小时到20分钟！哈工程硬核算法大幅提速电磁设计

在微波超表面设计领域，超表面可以看作一块平板透镜：电磁波穿过它，便能按照设计好的方式聚焦、偏折或赋形。凭借这一能力，它在高增益天线、波束扫描、无线通信、微波输能等方向有着广泛应用。然而，这块透镜并不好设计。长期以来，电磁工程师们在这个空间里反复扫描、试错，一次完整设计动辄上百小时，即便找到了可用的参数组合，也往往说不清它为什么有效。如今，哈尔滨工程大学的科研团队带来了一套算法级的快捷解法，把这个过程压缩到了分钟级。

近日，哈尔滨工程大学信息与通信工程/集成电路学院青年教师刘睿智课题组在微波领域国际权威期刊《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》（TMTT）上发表论文《Ultrawideband Transmitting Metasurface Design and Behavior Prediction with Analytical Model of Cascade Multilayer Conductors》（基于级联多层导体解析模型的超宽带透射超表面设计与行为预测）。针对多层透射超表面设计中长期存在的仿真量大、依赖试错、缺乏物理依据问题，团队提出了一种结合单层扫描与公式预测的解析设计方法：原本需要约103小时全波仿真的参数搜索，被压缩到20分钟左右完成，提速约300倍。2024级博士研究生王梦臻为论文第一作者，青年教师刘睿智为通讯作者，哈尔滨工程大学为第一单位。

老办法犹如“闯迷宫”

动辄耗费上百小时

超表面是由大量人工微结构单元排布而成的棋盘阵列。通过调控每个单元对电磁波幅度和相位的影响，是实现波前调控、宽带聚焦、波束赋形的关键结构。

然而，传统设计方法却像在黑暗中摸索：单元尺寸、层间距、介质厚度、工作频率……众多参数相互纠缠，构成一个高维参数空间。传统做法只能依靠全波电磁仿真逐一扫描、反复试错，以本文算例为例：若要对结构参数做完整扫描，完整的设计需在高性能工作站上耗时约103小时。

不仅如此，更令人头疼的是物理机制不透明——费尽心思找到一组能用的参数，却说不清它为什么有效。层间距设多大才能获得最大相位覆盖？哪些是真正的谐振峰、哪些只是干扰项？这些问题长期缺乏清晰的解析指引，让设计过程既费时又看运气。

“单层扫描+公式预测”

一套聪明的解题思路

面对这块难啃的骨头，哈工程研究团队没有继续堆算力，而是换了种思路——“化整为零，以简驭繁”。巧妙地将一个对称、无耗的单层超薄导体，等效为一个由透射相位参数化的二端口网络。只需对单层结构做一次参数扫描，建立起结构—频率—散射参数的关系数据库，剩下的多层结构，就能通过微波级联网络计算，无需再逐一仿真，这样一来，原本复杂的多维全波参数扫描，被转化成“单层仿真+公式预测”的低复杂度解析流程。而且每一步都有明确的物理对应，复杂的电磁结构不再是黑箱。

在此基础上，团队进一步“顺藤摸瓜”， 推导出两条对工程设计很有价值的规律。其一，传输相位范围随层间电长度周期性变化，据此给出了最优层间距的闭合表达式。设计者据此可以直接确定层间距区间，跳过盲目扫参。其二，该方法能够预测惠更斯谐振的位置，并区分两类成因完全不同的透射峰：一类是非谐振透射峰，电磁波几乎不与导体发生作用便径直穿过；另一类是惠更斯谐振峰，此时单元表面的电、磁响应达到平衡，向透射方向强烈再辐射——后者正是拓展工作带宽的关键。过去要靠反复调整结构"碰"出来的谐振点，如今可以通过计算直接获得。

实验证明：20分钟，锁定超宽带聚焦

团队以三层频率选择性表面为测试对象，应用这套快速设计流程：建模仿真、单层扫描、数据库构建、三维寻优、指标筛选、全波验证，环环相扣。

结果令人振奋——仅用约20分钟，就锁定了覆盖360°相位、工作于6–8 GHz频段的结构参数范围。基于该单元构建的聚焦超表面，在近场测试中展现出优异的超宽带聚焦能力。

这一成果不仅为多层频率选择表面、透射超表面和宽带聚焦超表面的快速设计提供了趁手工具，更有望辐射到高增益天线、波束赋形、无线通信、微波能量传输、近场聚焦探测等多个应用场景，并有望推广到其他对称型多层电磁结构。

霍萍 杨丽娜 哈尔滨日报记者 王越

编辑/初审：张鑫钰

复审：徐笑寒

终审：徐光胜