摘要
通過結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化實現(xiàn)寬槽天線的寬頻帶圓極化特性,通常需要同時優(yōu)化多個結(jié)構(gòu)參數(shù)(通常為 20-30 個參數(shù)),大量的參數(shù)掃描和參數(shù)尋優(yōu)工作使得天線的設(shè)計難度很大。文獻 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. 中提出了一種根據(jù)設(shè)計意圖,逐步更改天線結(jié)構(gòu)拓撲,實現(xiàn)寬槽天線的寬頻帶圓極化設(shè)計方案。本文參考上述文獻的設(shè)計思路,應(yīng)用 ANSYS optiSLang 和 ANSYS HFSS 軟件,實現(xiàn)了一種基于寬槽天線的寬頻帶圓極化天線設(shè)計。
本文研究的寬槽天線是典型的窄頻帶線性極化天線,其基板材質(zhì)是 RO4003C( ,,),頂視圖和仰視圖如下圖所示。設(shè)計目標(biāo)是在 4GHz 至 7GHz 的寬頻帶范圍內(nèi),將天線的軸比降低至 3dB。
優(yōu)化的第一階段是為了增加圓極化所需的和分量,在微帶線上方加入一個倒 L 形狀的高阻抗寄生貼片。設(shè)計目標(biāo)是在 7GHz 附近產(chǎn)生軸比的最小值,優(yōu)化目標(biāo)是軸比最小值位于 7GHz 附近(本文選取軸比最小值位于 7.6GHz),并且 3.4GHz 至 7.6GHz 頻段軸比的最大值最小(為了便于實現(xiàn)寬頻段計算,本文將掃頻設(shè)置為 3GHz 至 9GHz 離散掃頻,間隔為 0.2GHz)。
優(yōu)化的第二階段是優(yōu)化背板拓撲,進一步增加圓極化所需的和分量。設(shè)計目標(biāo)是進一步降低 4GHz 至 7GHz 頻段的軸比,優(yōu)化目標(biāo)是 4GHz 至 7GHz 頻段軸比的最大值最小。
優(yōu)化的第三階段是調(diào)整天線共面地的高度,設(shè)計目標(biāo)是通過增大共面地的面積進一步降低 4GHz 至 7GHz 頻段的軸比,優(yōu)化目標(biāo)是 4GHz 至 7GHz 頻段軸比的最大值最小。
2.HFSS 仿真流程和結(jié)果
仿真優(yōu)化過程中涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖所示,各參數(shù)取值可以參考原文獻。
2.1 第一階段
第一階段涉及的優(yōu)化參數(shù)包括:g1,g2,Lh,Lv,Wh,Wv,各參數(shù)初始值即為參考文獻值。應(yīng)用 optiSLang 軟件導(dǎo)入 HFSS 工程文件,優(yōu)化目標(biāo)選取和設(shè)置如下圖所示,即軸比最小值點為 7.6GHz,并且 3.4GHz 至 7.6GHz 頻段上軸比的最大值最小。
在 optiSLang 的參數(shù)敏感度分析中選用 AMOP 方法,最大采樣數(shù)量設(shè)為 500,目標(biāo) CoP 設(shè)為 0.9。參數(shù)敏感度分析結(jié)果如下圖所示,結(jié)果表明軸比最小值的位置和目標(biāo)頻段內(nèi)軸比的最大值主要由參數(shù) Lh 和 Lv 影響,這與設(shè)計思路中增加圓極化所需的和分量是吻合的?;趨?shù)敏感度分析,optiSLang 推薦的優(yōu)化算法是 EA(Evolutionary Algorithm),優(yōu)化結(jié)果是軸比最小值位于 7.6GHz,目標(biāo)頻段內(nèi)軸比整體下降大約 3dB。
2.2 第二階段
第二階段涉及的優(yōu)化參數(shù)包括:Wc,Ls1,Ls2,Ws1,Ws2,各參數(shù)初始值即為參考文獻值。優(yōu)化目標(biāo)選取和設(shè)置與第一階段類似,這里不再贅述。優(yōu)化目標(biāo)是 4GHz 至 7GHz 頻段上軸比的最大值最小。
在 optiSLang 的參數(shù)敏感度分析中選用 AMOP 方法,最大采樣數(shù)量設(shè)為 500,目標(biāo) CoP 設(shè)為 0.9。實際運行過程中采樣 168 個點,已經(jīng)達到 CoP 目標(biāo),參數(shù)敏感度分析完成。參數(shù)敏感度分析結(jié)果如下圖所示,結(jié)果表明目標(biāo)頻段內(nèi)軸比的最大值主要由參數(shù) Wc、Ls1 和 Ws1 影響,Ls2 和 Ws2 的影響很?。ǖ?L 形狀的高阻抗寄生貼片背面拓撲的變化不會顯著影響天線的軸比,符合我們通常對感應(yīng)電場分量的理解)?;趨?shù)敏感度分析,optiSLang 推薦的優(yōu)化算法是 NLPQL,即優(yōu)化目標(biāo)隨各輸入變量的變化是近似單調(diào)的,優(yōu)化結(jié)果是 4GHz 至 5.2GHz 頻段軸比變化不大,6GHz 至 7GHz 頻段軸比最大值下降大約 2dB。
2.3 第三階段
第三階段涉及的優(yōu)化參數(shù)包括:Lg1 和 Lg2,各參數(shù)初始值即為參考文獻值。優(yōu)化目標(biāo)選取和設(shè)置與第二階段類似,這里不再贅述。優(yōu)化目標(biāo)是 4GHz 至 7GHz 頻段上軸比的最大值最小。
在 optiSLang 的參數(shù)敏感度分析中選用 AMOP 方法,最大采樣數(shù)量設(shè)為 500,目標(biāo) CoP 設(shè)為 0.9。實際運行過程中采樣 168 個點,已經(jīng)達到 CoP 目標(biāo),參數(shù)敏感度分析完成。參數(shù)敏感度分析結(jié)果如下圖所示,結(jié)果表明目標(biāo)頻段內(nèi)軸比的最大值主要由參數(shù) Lg1 影響(倒 L 形狀的高阻抗寄生貼片與 Lg1 側(cè)共面地接近,因此其變化會更顯著地影響天線的軸比)?;趨?shù)敏感度分析,optiSLang 推薦的優(yōu)化算法是 NLPQL,即優(yōu)化目標(biāo)隨各輸入變量的變化是近似單調(diào)的,優(yōu)化結(jié)果是目標(biāo)頻段軸比最大值下降大約 2dB,目標(biāo)頻段軸比整體處于 3dB 以下。
3. 難點與總結(jié)
參考文獻中提出的天線設(shè)計方法是一個設(shè)計思路并不包含天線優(yōu)化設(shè)計過程的參數(shù)選取方法,第一階段的優(yōu)化目標(biāo)是不完全清晰的(軸比最小值在 7GHz 附近)。經(jīng)過反復(fù)嘗試,本文大體可以確定這個最小值點選取在 7.6GHz 是合適的。
應(yīng)用 optiSLang 軟件不僅可以幫助我們實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)還可以幫助我們分析天線設(shè)計思路潛在的機理。例如針對上述問題,在參數(shù)敏感度分析過程中,我們發(fā)現(xiàn)設(shè)計第一階段軸比最小值點主要受到 Lv 的影響,而第三階段目標(biāo)頻段內(nèi)軸比的最大值主要受到 Lg1 的影響。如果第一階段優(yōu)化目標(biāo)選取的不合適,導(dǎo)致第三階段優(yōu)化失敗,可以在第三階段優(yōu)化參數(shù)中增加 Lv,達到和本文類似的優(yōu)化結(jié)果。篇幅所限,具體仿真過程這里不再贅述。