CN110098481B - 基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线 - Google Patents

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Abstract

一种基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线设计方法，它包括天线基板、微带贴片、同轴馈电装置、超材料基元和金属接地板。通过采用聚乙烯的天线基板、金属辐射的微带贴片、同轴线馈电装置和超材料的基元与铜覆层的金属接地板相互结合组成微带天线，通过十二组基元刻蚀在天线基板外围四周，并与介质基板一起作为超材料天线基板。本发明克服了原微带天线增益低，辐射效率低，损耗大的问题，具有结构简单，整体结构紧凑，占用空间小，天线增益有明显提高的特点。

Description

基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，涉及一种基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线。
背景技术
微带天线因体积小、结构简单、成本低、易与与其他电磁器件共形、方便与馈电网络和其他有源器件集成的优点成为汽车毫米波雷达天线的新选择，目前己有采用微带天线阵的汽车雷达系统。但是传统的微带天线的增益相对较低、性能受介质板材影响较大，易激励表面波导致能量损耗、功率容量较低、频带较窄、馈电与辐射元之间存在着隔离差、方向性比较差等缺点制约微带天线的进一步发展和应用。常用的提高微带天线增益的方法有通过使用介电常数较低的介质板来降低天线的固有品质因子、添加寄生贴片或将单一天线组成阵列的形式，但这些方法在提高天线增益的同时也带了如尺寸变大、结构复杂和成本增高等方面的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，结构简单，采用聚乙烯的天线基板、金属辐射的微带贴片、同轴线馈电装置和基元与金属接地板相互结合组成微带天线，十二组基元刻蚀在天线基板外围四周，并与介质基板一起作为超材料天线基板，整体结构紧凑，占用空间小，天线增益明显提高，成本低。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，它包括天线基板、微带贴片、同轴馈电装置和基元；所述天线基板为聚乙烯介质基板，微带贴片为金属辐射贴片，同轴线馈电装置为同轴馈电探针，基元为超材料基元；所述基元共十二组，刻蚀在天线基板外围四周，并与介质基板一起作为超材料基板；所述同轴馈电装置上端与微带贴片相连，下端与天线基板连接的金属接地板连接。
所述工作频率在24GHz附近时，其基元谐振频率也在24GHz附近，超材料电磁超材料具有的电磁超特性抑制微带天线表面波。
所述基元由厚度为0.017mm的正方形铜片排列组合而成。
所述基元无倒角、圆弧曲面或曲线结构。
单个所述的基元的长和宽分别为2.1mm，由多个长和宽分别为0.21mm的方格组成。
所述微带贴片的长和宽分别为4.029mm和3.4714mm。
所述天线基板长和宽为10mm，厚度为1mm的聚乙烯板。
所述同轴馈电装置位于中心向微带贴片偏移，其距离为1.2523mm。
增大所述微带贴片的规模提高天线增益；微带贴片的排列基于遗传算法确定。
对所基元的离散方格子铜贴片进行重新排列，超材料的谐振特性发生改变，可与其他工作频率的天线相匹配。。
一种基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，它包括天线基板、微带贴片、同轴线馈电装置、基元和金属接地板；天线基板为聚乙烯介质板，微带贴片为金属辐射贴片，同轴馈电装置为同轴馈电探针，基元共十二组，刻蚀在天线基板外围四周，并与介质基板一起作为超材料基板；同轴馈电装置上端与微带贴片相连，下端与天线基板连接的金属接地板连接。结构简单，通过采用天线基板、金属微带贴片、同轴馈电装置和基元与金属接地板相互结合组成微带天线，通过十二组基元刻蚀在天线基板外围四周，并与天线基板一起作为超材料基板，整体结构紧凑，占用空间小，天线增益明显，成本低。
优选地，金属接地板的长宽为10*10mm，覆层厚度为0.035mm,覆层材料为铜。
在优选的方案中，工作频率在24GHz附近时，其超材料谐振频率也在24GHz附近，电磁超特抑制微带天线表面波。结构简单，由十二组基元在微带贴片周围按一定规律布置而成，该基元的结构通微带天线的拓扑优化得到，并满足工作频率在车用毫米波雷达的24GHz附近，其谐振频率与天线工作频率一致，天线表面波得到抑制，天线辐射性能得到改善，天线增益有明显提升。
优选地，基元可以布置一圈两圈或多圈，单圈布置，规格小，结构简单，由电路板刻蚀技术实现，成本低。
在优选的方案中，基元由厚度为0.017mm的正方形铜片排列组合而成。结构简单，为0.017mm厚度的基元，厚度薄，规格小，占用空间小，成本低。
在优选的方案中，基元无倒角、圆弧曲面或曲线结构。结构简单，多个无倒角、圆弧曲面或曲线结构的基元相互组合时，致密性更好。
在优选的方案中，单个的基元的长和宽分别为2.1mm，由多个长和宽分别为0.21mm的方格组成。结构简单，基元由多个较小规格的方格组成，基元的各边长相等，规格同一，加工成本低。
在优选的方案中，微带贴片的长和宽分别为4.029mm和3.4714mm。结构简单，长宽分别为4.029mm和3.4714mm的微带贴片，规格小，占用空间小，成本低。
在优选的方案中，天线基板长和宽为10mm，厚度为1mm的聚乙烯板。结构简单，聚乙烯板制作的天线基板的绝缘性能好、刚性和韧性好，提高了整体结构强度。
优选地，天线基板的厚度小于五分之一天线工作波长，这里取1mm。
在优选的方案中，同轴线馈电装置位于天线正中心并向微带贴片宽度方向偏移，其偏移距离为1.2523mm。
优选地，基元在天线基板水平和垂直方向边缘预留间隙为0.02mm，基元水平和垂直方向布设的间隙为0.433mm和0.367mm。分布均匀，各基元与微带贴片之间互不干涉。
在优选的方案中，增大基元的离散规模可以进一步提高天线增益；微带贴片的排列基于遗传算法确定。
在优选的方案中，对微带贴片进行重新排列，超材料的谐振特性发生改变，可与其他工作频率的天线相匹配。
一种基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，它包括天线基板、微带贴片、同轴馈电装置、基元和金属接地板，通过采用带有基元的天线基板、金属辐射微带贴片和同轴馈电装置与金属接地板相互结合组成微带天线，通过十二组基元刻蚀在天线基板外围四周，并与介质基板一起作为超材料天线基板。本发明克服了原微带天线增益低，结构复杂，规格大的问题，具有结构简单，整体结构紧凑，占用空间小，天线增益有明显，成本低的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视示意图。
图3为本发明超材基元规格为10*10的结构示意图。
图4为本发明超材基元规格为12*12的结构示意图。
图5为本发明超材基元规格为14*14的结构示意图。
图6为本发明流程简图。
图中：天线基板1，微带贴片2，同轴馈电装置3，基元4，金属接地板5。
具体实施方式
如图1～图6中，一种基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，它包括天线基板1、微带贴片2、同轴线馈电装置3、基元4和金属接地板5；所述天线基板1为聚乙烯介质板，微带贴片2为金属辐射贴片，同轴馈电装置3为同轴线馈电探针，基元4为超材料基元；所述基元4共十二组，刻蚀在天线基板1外围四周，并与介质基板一起作为超材料基板；所述同轴馈电装置3上端与微带贴片2相连，下端与天线基板1连接的金属接地板5连接。结构简单，通过采用超材料的天线基板1、金属辐射的微带贴片2和同轴馈电装置3与基元4相互结合组成微带天线，通过十二组基元4刻蚀在天线基板1外围四周，并与介质基板一起作为超材料基板，整体结构紧凑，占用空间小，天线增益明显，成本低。
优选地，金属接地板的长宽为10*10mm，覆层厚度为0.035mm,覆层材料为铜。
优选的方案中，所述工作频率在24GHz附近时，其超材料谐振频率也在24GHz附近，电磁超特抑制微带天线表面波。结构简单，由十二组基元4在微带贴片2周围按一定规律布置而成，该基元的结构通微带天线的拓扑优化得到，并满足工作频率在车用毫米波雷达的24GHz附近，其谐振频率与天线工作频率一致，天线表面波得到抑制，天线辐射性能得到改善，天线增益有明显提升。
优选地，基元可以布置一圈两圈或多圈，单圈布置，规格小，结构简单，由电路板刻蚀技术实现，成本低。
优选的方案中，所述基元4由厚度为0.017mm的正方形铜片排列组合而成。结构简单，为0.017mm厚度的基元4，厚度薄，规格小，占用空间小，成本低。
优选的方案中，所述基元4无倒角、圆弧曲面或曲线结构。结构简单，多个无倒角、圆弧曲面或曲线结构的基元4相互组合时，致密性更好。
优选的方案中，单个所述的基元4的长和宽分别为2.1mm，由多个长和宽分别为0.21mm的方格组成。结构简单，基元4由多个较小规格的方格组成，基元4的各边长相等，规格同一，加工成本低。
优选的方案中，所述微带贴片2的长和宽分别为4.029mm和3.4714mm。结构简单，长宽分别为4.029mm和3.4714mm的微带贴片2，规格小，占用空间小，成本低。
优选的方案中，所述天线基板1长和宽为10mm，厚度为1mm的聚乙烯板。结构简单，聚乙烯板制作的天线基板1的绝缘性能好、刚性和韧性好，提高了整体结构强度。
优选地，天线基板的厚度小于五分之一天线工作波长。
在优选的方案中，同轴线馈电装置位于天线正中心并向微带贴片宽度方向偏移，其偏移距离为1.2523mm。
优选地，基元在天线基板水平和垂直方向边缘预留间隙为0.02mm，基元4水平和垂直方向布设的间隙为0.433mm和0.367mm。分布均匀，各基元4与微带贴片2之间互不干涉。
在优选的方案中，增大基元的离散规模可以进一步提高天线增益；微带微带贴片2的排列基于遗传算法确定。
优选地，超材料微带天线的基元4微结构构型设计方法是基于遗传算法的拓扑模型，基元4的总体尺寸为0.21*0.21mm,厚度为0.017mm，材料为铜，被离散成均匀的方格子贴片，每个方格子的材料属性都对应一个设计元素xi，xi＝1时表示存在铜材料，xi＝0时表示空材料，所有设计元素xi的集合就构成拓扑构型的设计变量X，所有设计元素的不同取值对应这不同的超材料构型，可得到不同性能的超材料微带天线。
以天线增益Gain的最大化为优化目标，以天线的工作频率和求解频率为约束，以离散化铜方格子微带贴片2为设计变量(X)，建立了超材料微带天线的拓扑优化模型，优化三要素为：
Figure BDA0002023189470000051
M为超材料基元4离散化后的方格子总数，Ae为天线的有效面积,f为天线的载波频率，C为真空中光速，设计中的约束为天线的求解频率和工作频率f＝24GHz。
选用遗传算法对拓扑优化问题求解，首先通过遗传算法获得一个初始种群，然后通过MATLAB对种群内个体进行参数化建模，并生成VB文件导入到高频电磁场仿真软件HFSS中对超材料天线模型进行仿真，仿真结束后提取天线的远场增益数据，对增益数据处理得到目标函数值，然后根据设计准则判读它的收敛性，如果收敛则求解结束，反之由遗传算法生成下一代种群，并重复上述过程直到求解结束。
在优选的方案中，对所述微带微带贴片2进行重新排列，超材料的谐振特性发生改变，可与其他工作频率的天线相匹配。
优选地，在格子规模为10*10、12*12、14*14三种情况下，施加左右对称条件后，对应50、72、98个设计变量，通过拓扑优化得到的三种基元4新构型，将他们施加在如图1所示的微带天线天线基板1上均能明显改善天线增益。
优选地，基元4可以离散化为不同的格子规模，不同格子规模对于不同数量的优化变量，理论上基元4格子规模越大，基元4的设计空间越大，天线增益越高，但同时计算规模越大，计算时间越长。另外该超材料微带天线不改变传统天线的结构，甚至不改变传统微带天线的大小，且基元4结构简单，只需通过电路板刻蚀技术便可实现。
如上所述的基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，加工制作时，采天线基板1、金属辐射的微带贴片2和同轴馈电装置3、基元4和金属接地板5相互结合组成微带天线，十二组基元4刻蚀在天线基板1外围四周，并与介质基板一起作为超材料基板，整体结构紧凑，占用空间小，天线增益明显，成本低。
该基元的结构通过微带天线的拓扑优化得到，并满足工作频率在车用毫米波雷达的24GHz附近，其谐振频率与天线工作频率一致，天线表面波得到抑制，天线辐射性能得到改善，天线增益有明显提升。
为0.017mm厚度的基元4，厚度薄，规格小，占用空间小，成本低。
多个无倒角、圆弧曲面或曲线结构的基元4相互组合时，致密性更好。
基元4由多个较小规格的方格组成，基元4的各边长相等，规格同一，加工成本低。
长宽分别为4.029mm和3.4714mm的微带贴片2，规格小，占用空间小，成本低。
聚乙烯板制作的天线基板1的绝缘性能好、成本低、刚性和韧性好，提高了整体结构强度。
偏离于微带天线中心的同轴馈电装置3，其偏向微带贴片2宽度方向的距离为1.2523mm，结构紧凑。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，其特征是：它包括天线基板（1）、微带贴片（2）、同轴馈电装置（3）、基元（4）和金属接地板（5）；所述天线基板（1）为聚乙烯基板，微带贴片（2）为金属辐射贴片，同轴馈电装置（3）为同轴馈电探针，基元（4）为超材料基元；所述基元（4）共十二组，刻蚀在天线基板（1）外围四周，并与介质基板一起作为超材料基板；所述同轴馈电装置（3）上端与微带贴片（2）相连，下端与天线基板（1）连接的金属接地板（5）连接；该装置工作频率在24GHz附近时，其超材料谐振频率也在24GHz附近，电磁超特性抑制微带天线表面波；
基元（4）的离散规模越大，天线增益也越大，基元（4）的排列基于遗传算法确定；
对所述 基元（4）的离散方格子铜贴片进行重新排列，超材料的谐振特性发生改变，可与其他工作频率的天线相匹配。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，其特征是：所述基元（4）由厚度为0.017mm的正方形铜片排列组合而成。
3.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的 24GHz高增益超材料微带天线设计方法，其特征是：所述基元（4）无倒角、圆弧曲面或曲线结构。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，其特征是：单个所述的基元（4）的长和宽分别为2.1 mm，由多个长和宽分别为0.21mm的方格组成。
5.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，其特征是：所述微带贴片（2）的长和宽分别为4.029mm和3.4714mm。
6.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，其特征是：所述天线基板（1）长和宽为10mm，厚度为1mm的聚乙烯板。
7.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的24GHz高增益超材料微带天线，其特征是：所述同轴馈电装置（3）位于中心向微带贴片（2）偏移，其距离为1.2523mm。
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