摘要

通过结构拓扑优化实现宽槽天线的宽频带圆极化特性,通常需要同时优化多个结构参数(通常为 20-30 个参数),大量的参数扫描和参数寻优工作使得天线的设计难度很大。文献 Ubaid Ulah and Slawomir Koziel, “A Geometrically Simple Compact Wideband Circularly Polarized Antenna,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 18, no. 6, pp. 1179-1183 June. 2019. 中提出了一种根据设计意图,逐步更改天线结构拓扑,实现宽槽天线的宽频带圆极化设计方案。本文参考上述文献的设计思路,应用 ANSYS optiSLang 和 ANSYS HFSS 软件,实现了一种基于宽槽天线的宽频带圆极化天线设计。

 

本文研究的宽槽天线是典型的窄频带线性极化天线,其基板材质是 RO4003C( ),顶视图和仰视图如下图所示。设计目标是在 4GHz 至 7GHz 的宽频带范围内,将天线的轴比降低至 3dB。

 

 

 

优化的第一阶段是为了增加圆极化所需的分量,在微带线上方加入一个倒 L 形状的高阻抗寄生贴片。设计目标是在 7GHz 附近产生轴比的最小值,优化目标是轴比最小值位于 7GHz 附近(本文选取轴比最小值位于 7.6GHz),并且 3.4GHz 至 7.6GHz 频段轴比的最大值最小(为了便于实现宽频段计算,本文将扫频设置为 3GHz 至 9GHz 离散扫频,间隔为 0.2GHz)。

 

 

优化的第二阶段是优化背板拓扑,进一步增加圆极化所需的分量。设计目标是进一步降低 4GHz 至 7GHz 频段的轴比,优化目标是 4GHz 至 7GHz 频段轴比的最大值最小。

 

 

优化的第三阶段是调整天线共面地的高度,设计目标是通过增大共面地的面积进一步降低 4GHz 至 7GHz 频段的轴比,优化目标是 4GHz 至 7GHz 频段轴比的最大值最小。

 

 

2.HFSS 仿真流程和结果

仿真优化过程中涉及的结构参数如下图所示,各参数取值可以参考原文献。

 

 

2.1 第一阶段

第一阶段涉及的优化参数包括:g1,g2,Lh,Lv,Wh,Wv,各参数初始值即为参考文献值。应用 optiSLang 软件导入 HFSS 工程文件,优化目标选取和设置如下图所示,即轴比最小值点为 7.6GHz,并且 3.4GHz 至 7.6GHz 频段上轴比的最大值最小。

 

 

 

在 optiSLang 的参数敏感度分析中选用 AMOP 方法,最大采样数量设为 500,目标 CoP 设为 0.9。参数敏感度分析结果如下图所示,结果表明轴比最小值的位置和目标频段内轴比的最大值主要由参数 Lh 和 Lv 影响,这与设计思路中增加圆极化所需的分量是吻合的。基于参数敏感度分析,optiSLang 推荐的优化算法是 EA(Evolutionary Algorithm),优化结果是轴比最小值位于 7.6GHz,目标频段内轴比整体下降大约 3dB。

 

 

 

 

2.2 第二阶段

第二阶段涉及的优化参数包括:Wc,Ls1,Ls2,Ws1,Ws2,各参数初始值即为参考文献值。优化目标选取和设置与第一阶段类似,这里不再赘述。优化目标是 4GHz 至 7GHz 频段上轴比的最大值最小。

 

在 optiSLang 的参数敏感度分析中选用 AMOP 方法,最大采样数量设为 500,目标 CoP 设为 0.9。实际运行过程中采样 168 个点,已经达到 CoP 目标,参数敏感度分析完成。参数敏感度分析结果如下图所示,结果表明目标频段内轴比的最大值主要由参数 Wc、Ls1 和 Ws1 影响,Ls2 和 Ws2 的影响很小(倒 L 形状的高阻抗寄生贴片背面拓扑的变化不会显著影响天线的轴比,符合我们通常对感应电场分量的理解)。基于参数敏感度分析,optiSLang 推荐的优化算法是 NLPQL,即优化目标随各输入变量的变化是近似单调的,优化结果是 4GHz 至 5.2GHz 频段轴比变化不大,6GHz 至 7GHz 频段轴比最大值下降大约 2dB。

 

 

 

 

2.3 第三阶段

第三阶段涉及的优化参数包括:Lg1 和 Lg2,各参数初始值即为参考文献值。优化目标选取和设置与第二阶段类似,这里不再赘述。优化目标是 4GHz 至 7GHz 频段上轴比的最大值最小。

 

在 optiSLang 的参数敏感度分析中选用 AMOP 方法,最大采样数量设为 500,目标 CoP 设为 0.9。实际运行过程中采样 168 个点,已经达到 CoP 目标,参数敏感度分析完成。参数敏感度分析结果如下图所示,结果表明目标频段内轴比的最大值主要由参数 Lg1 影响(倒 L 形状的高阻抗寄生贴片与 Lg1 侧共面地接近,因此其变化会更显著地影响天线的轴比)。基于参数敏感度分析,optiSLang 推荐的优化算法是 NLPQL,即优化目标随各输入变量的变化是近似单调的,优化结果是目标频段轴比最大值下降大约 2dB,目标频段轴比整体处于 3dB 以下。

 

 

 

 

3. 难点与总结

参考文献中提出的天线设计方法是一个设计思路并不包含天线优化设计过程的参数选取方法,第一阶段的优化目标是不完全清晰的(轴比最小值在 7GHz 附近)。经过反复尝试,本文大体可以确定这个最小值点选取在 7.6GHz 是合适的。

 

应用 optiSLang 软件不仅可以帮助我们实现优化目标还可以帮助我们分析天线设计思路潜在的机理。例如针对上述问题,在参数敏感度分析过程中,我们发现设计第一阶段轴比最小值点主要受到 Lv 的影响,而第三阶段目标频段内轴比的最大值主要受到 Lg1 的影响。如果第一阶段优化目标选取的不合适,导致第三阶段优化失败,可以在第三阶段优化参数中增加 Lv,达到和本文类似的优化结果。篇幅所限,具体仿真过程这里不再赘述。