Opto-Electronic Science
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电子科技大学、同济大学及香港城市大学的相关团队深入合作，结合长期以来在超结构领域内的技术积累，提出了一种基于物理辅助粒子群算法的Ka波段超结构天线设计方法，利用该方法设计并制备了一款Ka波段的超结构天线。所提出的PA-PSO方法能够更高效地引导粒子群，减少计算时间，是解决复杂多变量和多目标优化问题的重要工具。
第一作者：江世斌、邓文俊
通信作者：蔡定平 教授，施宇智 教授，朱伟明 研究员
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研究背景
Ka波段(26.5−40 GHz)超结构天线，以其低成本、低剖面设计和卓越的波束调控能力，在卫星通信领域展现出巨大潜力，有望广泛应用于各类载具。然而，面对有限的卫星资源和Ka波段大气损耗的挑战，天线需具备大角度波束扫描能力和高天线增益，这成为设计的难点。要想实现多功能高效超结构天线设计，设计优化将包含众多参量，极大增加了计算资源的使用和优化时间。在设计过程中，如何平衡增益、扫描角度等多个优化目标，同时提高优化速度，成为了一个亟待解决的关键问题。
本文亮点
针对上述超结构天线优化过程中存在的问题，电子科技大学、同济大学及香港城市大学的相关团队深入合作，结合长期以来在超结构领域内的技术积累，提出了一种基于物理辅助粒子群算法的 Ka波段超结构天线设计方法，利用该方法设计并制备了一款Ka波段的超结构天线。
文中所提出的PA-PSO算法与传统的PSO算法相比，粒子的优化方向受到由变分法所推导出的极值条件的指导，这不仅减少了计算时间，还降低了找到次优设计的可能性，如图1(c-d)所示。最终优化结果表明，PA-PSO算法所达到的相对强度为94.62806，与传统PSO算法94.62786的相对强度相当。但PA-PSO算法的计算成本显著降低，仅经过650次迭代后就达到了最佳状态，而传统的PSO算法则需要4100次迭代，说明PA-PSO算法的计算时间少于PSO算法的六分之一。因此，PA-PSO方法能够更高效地引导粒子群，减少计算时间，是解决复杂多变量和多目标优化问题的重要工具。
图1 PA-PSO算法示意图。(a) 和 (b) 为超结构天线的工作原理。(c) 和 (d)是 传统PSO算法与PA-PSO算法的比较。红色和蓝色的星星分别代表最优和次优设计。红点和虚线箭头分别表示粒子的位置和速度。
图2 (a) 相对电场强度随PA-PSO和PSO算法迭代次数的变化。紫色线表示计算误差。底部到顶部的四个六边形分别代表不同阶段的相位分布：初始相位分布、PSO算法迭代650次、1500次，以及4100次(等于PA-PSO算法迭代650次)。(b) 不同设计超结构天线的视场(FOV)和F/D比值比较。点的颜色表示在视场范围内扫描时增益的波动。
团队根据PA-PSO算法优化所得的相位分布，设计并制备了焦距为22 mm，对角线长度为110 mm，厚度仅有1.524 mm的六边形超结构天线样品。如图3所示，该天线f数仅有0.2，波束扫描角度为±55°，最高增益达到21.7 dBi，且增益的平坦度在4 dB以内。这一创新性的六边形超结构天线，凭借其大扫描角度、紧凑设计和高发射增益，在卫星通信、雷达系统、5G网络和物联网等众多领域展现出巨大的应用潜力。
图3 当馈源放置在焦平面上不同位移 𝑥 时，超结构天线的增益分布。比较实验结果(绿线)和仿真结果(红线)，当馈源位置为：(a) 𝑥=0时，显示最大增益为 21.7 dBi，对应角度为 0°；(b) 𝑥=15 mm 时，最大增益为 21.2 dBi，对应角度为 25°；(c) 𝑥=30 mm 时，显示最大增益为 18.3 dBi，对应角度为 55°。(d) 不同位置馈源测试所得最大增益角度与相应增益之间的关系。左下角为样品照片及单元结构示意图。
该工作以“Ka-Band metalens antenna empowered by physics-assisted particle swarm optimization (PA-PSO) algorithms”为题发表在Opto-Electronic Science (OES, 光电科学) 2024年第10期，收录于“超构透镜”专题。
【基金支持】
该研究得到了以下基金支持：中国国家自然科学基金(61975026, 62375232, 61875030, 62205246)、四川省国家自然科学基金创新研究群体(2023NSFSC1973)的资助、重点研发项目(2023YFF0613600)、上海市面上项目(22ZR1432400)、上海市基础研究特区项目、香港特别行政区大学教育资助委员会/研究资助局(AoE/P-502/20，CRF项目：C5031-22G 和 C1015-21E，GRF项目：CityU15303521；CityU11305223，以及德国/香港联合研究计划：GCityU101/22)、香港城市大学(9380131, 9610628 , 7005867)。
研究团队简介
蔡定平教授，现任香港城市大学电机工程系讲座教授，是中国光学学会(COS)会士(Fellow)，国际电子电机工程学会(IEEE)会士，国际光电工程学会(SPIE)会士，美国光学学会(Optica)会士,美国物理学会(APS)会士，美国科学促进会(AAAS)会士，国际电磁科学院(EMA)会士，日本应用物理学会(JSAP)会士，台湾物理学会(PST)会士，亚太人工智能学会(AAIA)会士，美国国家发明家科学院(NAI)院士，俄罗斯国际工程科学院(IAE)院士，亚太材料科学院(APAM) 院士。蔡教授1990年获得美国俄亥俄州辛辛那堤大学博士，目前研究的领域是纳米光子学、等离激元光学、超材料、超构表面、超构组件、量子光学芯片、量子光学计算与信息等。目前已发表相关研究的SCI期刊的学术论文共379篇、出版专著或专著章节及会议论文共70篇、技术报告及其他论文共39篇，国内外(美国、加拿大、日本及德国等)专利共45项(69个)。曾荣获国际光电工程学会(SPIE)墨子奖(2018年)，2019年及2020年两度荣膺科睿唯安“全球高被引科学家”、并两次获得2018年及2020年中国光学十大进展奖, 2022年香港城市大学校长奖。曾参加国内外举行的重要国际会议340次，并做特邀报告(包括 28次大会报告及62次主题报告)，目前担任12个重要国际期刊的编委，多项国际知名期刊的文章审稿人。
施宇智教授，2018年博士毕业于西安交通大学，2013至2021年在新加坡南洋理工大学交流和工作，2022年入职同济物理科学与工程学院。任《光学学报网络版》编委、《光学学报》和elight青年编委、Innovation Discovery编辑部成员。获Micromachines 2023新锐科学家奖和Sensors2021生物传感旅行奖。入选国家海外高层次人才计划青年项目和上海市领军人才(海外)青年项目。主持科技部重点研发课题、国自然青年、上海市基础研究特区等项目。主要从事微纳光学研究，尤其光流控光镊芯片领域，致力于解决光流控光镊中特殊光力测量困难、大量生物颗粒精密操控机制匮乏等难题，提出了多种光镊理论，建立了相应实验方法，设计了多种新型光流控芯片，实现了手性和自旋等弱光力的精密测量，以及大量生物颗粒的多功能操控和检测等生物应用。近年来在Science Advances (4篇)、Physical Review Letters (4篇)、Light: Science & Applications/elight (6篇)、Nature Communications (4篇)、Advances in Optics and Photonics (2篇) 等知名期刊发表文章70余篇，包括8篇封面论文，多篇高被引和热点论文。成果得到Nature Review Materials等40余家期刊与媒体报道。
朱伟明研究员，2011年获得法国巴黎东部高等电子工程师学校(ESIEE Paris East University)的博士学位。2011年至2015年在南洋理工大学(NTU)担任高级研究员。2015年至2017年于新加坡科学技术研究局(A*Star)的新加坡制造技术研究院(SIMTech)担任研究员。2017年至今担任电子科技大学研究员。主要从事基于MEMS(微机电系统)和微流体系统可重构超材料的研究。在国际知名期刊上发表了30多篇期刊论文和40多篇会议论文，包括Nature Communications、Advanced Materials和Advanced Functional Materials。此外，担任Nature Communications、Science Advances、Light: Science and Applications和Advanced Materials等期刊的审稿人。
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Opto-Electronic Science (OES，光电科学)是卓越行动计划高起点新刊，是国际知名光学期刊Opto-Electronic Advances(JCR Q1)的姊妹刊，由中国科学院主管，中国科学院光电技术研究所主办并出版，面向全球发行。OES目前已被Scopus、DOAJ、CA、EuroPub、万方等国内外数据库收录。OES专注于光学、光电子及相关交叉学科领域的基础科学研究，致力于发掘、报道光学物理机制的新发现。
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编辑 | 曾晚婷 张诗杰
审核 | 杨淇名
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