CN113328242A - 一种高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线及其设计方法，包括金属接地板，所述金属接地板贴合在所述微带天线介质基板的下表面，所述的微带天线辐射贴片贴合在所述的微带天线介质基板的上表面，所述的同轴电缆穿过所述的微带天线介质基板，而且与所述的微带天线辐射贴片和所述的金属接地板相连接，所述的覆层基板置于所述的微带天线介质基板上方半波长处，所述的微带天线介质基板通过支柱与覆层基板相连，所述的卦型超材料结构贴合在所述的覆层基板上表面。本发明的卦型超材料结构具有的电磁超特性，能与天线的辐射贴片产生谐振来提升天线的增益性能。
Description
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，具体涉及一种具有高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线。
背景技术
微带天线与其它微波天线相比具有小型化、低轮廓、可共型、易集成等优点，但是对超材料微带天线进行拓扑优化通常会得到复杂的构型，给加工制备带来极大的困难。超材料覆层型微带天线是将超材料基元放在天线辐射方向上方的覆层基板上，增加了超材料布置的可能性，为提升天线性能提供了更多可能，已在提高天线的增益、增加带宽、波束切换等方面得到了广泛应用。而将按照一定规则布置的卦型基元放在覆层基板上，在保证天线具有优良增益性能的同时提升天线制备性的天线设计方法尚未有过研究。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线及其设计方，本发明将基元按照一定规则布置在覆层基板上来保证天线有良好的制备性，并利用天线的辐射贴片和超材料卦型基元之间产生的谐振来提升天线的定向性和增益。
本发明是通过如下技术方案实现的：
提供一种高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，包括金属接地板、微带天线介质基板、微带天线辐射贴片、覆层基板、支柱、卦型超材料结构以及同轴电缆，所述金属接地板贴合在所述微带天线介质基板的下表面，所述的微带天线辐射贴片贴合在所述的微带天线介质基板的上表面，所述的同轴电缆穿过所述的微带天线介质基板，而且与所述的微带天线辐射贴片和所述的金属接地板相连接，所述的覆层基板置于所述的微带天线介质基板上方半波长处，所述的微带天线介质基板通过支柱与覆层基板相连，所述的卦型超材料结构贴合在所述的覆层基板上表面，所述的卦型超材料结构由16个卦型基元构成，每个卦型基元由三条平行的卦线组成，并把连续的卦线记为1，中间带断口的卦线记为0。
进一步的，所述卦型基元共记16个，分布为4行4列，整体结构左右对称。
更进一步的，所述单个卦型基元中卦线之间的间距为0.45mm，连续的卦线是由2.10mm×0.40mm×0.017mm的覆铜片构成；中间带断口的卦线是由两条0.75mm×0.40mm×0.017mm覆铜片组成，且两个平行的铜片之间的水平间距为0.6mm，所述的卦型基元之间的间距为0.533mm，且上下左右间距相等。
进一步的，所述金属接地板规格为14mm×14mm×0.017mm，即在整个基板背面刻蚀金属铜覆层。
进一步的，所述微带天线介质基板为14mm×14mm×0.762mm的Rogers RO4350b，厚度为0.762mm
进一步的，辐射贴片的材料为铜，辐射贴片的长为4.0945mm，宽为2.8801mm。
进一步的，覆层基板尺寸为14mm×14mm×1.524mm，材料为Rogers RO4350b。
进一步的，所述微带天线介质基板和覆层基板的距离为6.25mm。
进一步的，所述同轴电缆的中心在微带天线基板正中心向y轴方向偏移0.8341mm的位置上，所述同轴电缆的特性阻抗值为50Ω。
进一步地，所述微带天线介质基板和覆层基板的材料均采用介电常数为3.66的Rogers RO4350b。
本发明还提出了一种高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
（1）设置覆层型微带天线基本结构：覆层型微带天线由两部分组成，下部分是基本微带天线，上部分是覆层；基本微带天线的组成从上到下依次是：微带天线辐射贴片、微带天线介质基板、同轴电缆、金属接地板，同轴电缆设计在在微带天线介质基板中；覆层的组成从上到下依次是：超材料结构、覆层基板；基本微带天线和覆层之间用四根支柱作为支撑，把两部分连接起来；
（2）定义超材料结构的设计域：超材料结构分布在略小于覆层基板尺寸的正方形区域内，并将这个正方形区域再划分为4行4列的小正方形区域，这些小正方形即为基元，小正方形区域的大小相等，并且小正方形区域之间存在间隙；
（3）设置卦型超材料的结构及定义设计变量：每个小正方形区域被离散化成三条卦线，即为卦型基元，卦线之间存在一定的间距，卦线有断线和连线两种选择，每个基元卦线的断与连可以任意组合，卦线的断与连对应于二进制0-1变量，即为设计变量，每个卦型基元有8种分布的可能性，分别为000、001、010、011、100、101、110、111。
（4）定义约束条件及设计目标：优化问题的约束条件为天线的求解频率24GHz和卦型基元结构的左右对称布置，设计目标为超材料微带天线增益最大化；
（5）求解拓扑优化问题：用遗传算法对卦型超材料结构进行优化，首先用MATLAB遗传算法工具箱生成初始种群，然后用MATLAB和电磁仿真软件协同仿真完成种群中个体天线的建模与仿真计算，获取天线的最大增益作为适应度，再对终止准则进行判断，若不满足终止准则，则生成下一代种群重新进行迭代，若满足终止准则则求解结束，最终得到最优个体；
（6）确定卦型超材料微带天线的结构：根据拓扑优化得到的最优个体的0-1变量分布，反推出卦型基元中卦线的排布，0代表断线，1代表连线，最终得到卦型基元微带天线的结构。
进一步的，所述卦型超材料结构中的设计变量的0-1编码分布为：100、100、111、111、111、111、100、001。
本发明的有益效果：本发明设计的卦型基元超材料覆层型微带天线，在保证天线具有优良增益性能的同时，克服了天线在传统方格子式拓扑优化设计中得到复杂且加工精度要求高的结构的缺点，得到了尺寸参数相对较大的简单结构，给天线的加工制备带来便利，同时也节约了制造成本。卦型基元的排布方式并非传统的阵列形式，而是按照一定的规则进行布置。此外，本发明设计引入了覆层基板，超材料结构直接布置在覆层基板上表面，给超材料结构提供了更大的设计空间，为提升天线性能提供了更多可能。
附图说明
图1为本发明卦型基元超材料覆层型微带天线的结构示意图。
图2为图1中覆层基板的轴侧视图。
图3为图1中微带天线的轴侧视图。
图4为图1的超材料覆层型微带天线俯视示意图。
图5为本发明卦型基元超材料覆层型微带天线仿真结果的二维远场辐射增益方向图。
图6为本发明卦型基元超材料覆层型微带天线仿真结果的三维远场辐射增益方向图。
图中：1、金属接地板，2、微带天线介质基板，3、微带天线辐射贴片，4、同轴电缆，5、覆层基板，6、卦型超材料结构，7、支柱。
具体实施例
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
如图1-图4所示，本发明提出的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，包括金属接地板、微带天线介质基板、微带天线辐射贴片、覆层基板、支柱、卦型超材料结构以及同轴电缆。
所述金属接地板贴合在所述微带天线介质基板的下表面，所述的微带天线辐射贴片贴合在所述的微带天线介质基板的上表面，所述的同轴电缆穿过所述的微带天线介质基板，而且与所述的微带天线辐射贴片和所述的金属接地板相连接，所述的覆层基板置于所述的微带天线介质基板上方半波长处，所述的微带天线介质基板通过支柱与覆层基板相连，所述的卦型超材料结构贴合在所述的覆层基板上表面，所述的卦型超材料结构按照一定的规则进行布置，并将超材料基元离散成卦线的断与连，得到卦型基元。
在本实施例中，金属接地板规格为14mm×14mm×0.017mm，即在整个基板背面刻蚀金属铜覆层。微带天线介质基板为14mm×14mm×0.762mm的Rogers RO4350b。微带天线介质基板2的厚度取为0.762mm。辐射贴片的材料为铜，辐射贴片的长为4.0945mm，宽为2.8801mm。覆层基板尺寸为14mm×14mm×1.524mm，材料为环氧树脂，其通过支柱置于微带天线介质基板上方6.25mm处。同轴电缆的中心在基板正中心向y轴方向偏移0.8341mm的位置上。
在本实施例中，用三条卦线组成一个卦型基元，带有缺口的卦线为断线，表示为“— —”，不带缺口的卦线为连线，表示为“——”。将微带天线中覆层上方的超材料基元离散化成3条卦线，每条卦线对应一个设计变量，设计变量取值为0和1分别代表卦线为断线“— —”和卦线为连线“——”，卦线的断与连正好对应于二进制0-1变量。通过优化组合设计变量中的“连”与“断”，会得到高增益的超材料微带天线设计方案。组成卦型基元的卦线与传统的离散化成方格子相比，尺寸参数大出很多，天线的制备性更强；设计变量也相应的减少，设计耗时更短，成本也更低。
在本实施例中，所述卦型基元共记16个，分布为4行4列，整体结构左右对称。每个卦型基元由三条卦线组成，整体结构左右对称，单个卦型基元中卦线之间的间距为0.45mm，连续的卦线是由2.10mm×0.40mm×0.017mm的覆铜片构成；中间带断口的卦线是由两条0.75mm×0.40mm×0.017mm覆铜片组成，且两个平行的铜片之间的水平间距为0.6mm，相邻的卦型基元之间的间距为0.533mm，上下和左右间距相等。卦型超材料结构具有的电磁超特性，能与天线的辐射贴片产生谐振来提升天线的增益性能。
卦型基元中的一条卦线对应于优化问题的一个设计变量，通过对设计变量进行0-1二进制编码，以求解频率24GHz为约束条件，以增益最大化为目标，并用MATLAB的遗传算法工具箱对该问题进行求解，进而得到卦型基元的0-1分布。
本发明通过采用金属接地板、微带天线介质基板、微带天线辐射贴片、同轴电缆、覆层基板、卦型超材料结构以及支柱，相结合构成卦型基元覆层型微带天线，卦型基元组成的卦型超材料结构能与辐射贴片产生很强的谐振，从而提高微带天线增益，卦型基元超材料结构尺寸参数适中，有良好的制备性和较低的加工成本。
本发明还提出一种高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
（1）设置覆层型微带天线基本结构：覆层型微带天线由两部分组成，下部分是基本微带天线，上部分是覆层；基本微带天线的组成从上到下依次是：微带天线辐射贴片、微带天线介质基板、同轴电缆、金属接地板，同轴电缆设计在在微带天线介质基板中；覆层的组成从上到下依次是：超材料结构、覆层基板；基本微带天线和覆层之间用四根支柱作为支撑，把两部分连接起来；
（2）定义超材料结构的设计域：超材料结构分布在略小于覆层基板尺寸的正方形区域内，并将这个正方形区域再划分为4行4列的小正方形区域，这些小正方形即为基元，小正方形区域的大小相等，并且小正方形区域之间存在间隙；
（3）设置卦型超材料的结构及定义设计变量：每个小正方形区域被离散化成三条卦线，即为卦型基元，卦线之间存在一定的间距，卦线有断线和连线两种选择，每个基元卦线的断与连可以任意组合，卦线的断与连对应于二进制0-1变量，即为设计变量，每个卦型基元有8种分布的可能性，分别为000、001、010、011、100、101、110、111。
（4）定义约束条件及设计目标：优化问题的约束条件为天线的求解频率24GHz和卦型基元结构的左右对称布置，设计目标为超材料微带天线增益最大化；
（5）求解拓扑优化问题：用遗传算法对卦型超材料结构进行优化，首先用MATLAB遗传算法工具箱生成初始种群，然后用MATLAB和电磁仿真软件协同仿真完成种群中个体天线的建模与仿真计算，获取天线的最大增益作为适应度，再对终止准则进行判断，若不满足终止准则，则生成下一代种群重新进行迭代，若满足终止准则则求解结束，最终得到最优个体；
（6）确定卦型超材料微带天线的结构：根据拓扑优化得到的最优个体的0-1变量分布，反推出卦型基元中卦线的排布，0代表断线，1代表连线，最终得到卦型基元微带天线的结构。
在本实施例中，所述卦型超材料结构中的设计变量的0-1编码分布为：100、100、111、111、111、111、100、001。
对本实施例中设计的卦型基元超材料微带天线进行仿真，其仿真结果中的二维和三维远场辐射增益方向图如图5和图6所示，从结果图中可以得出其最大增益为12.29dB，相较与普通基板型微带天线的增益值7.51dB，提升了63.65%。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，其特征在于：包括金属接地板、微带天线介质基板、微带天线辐射贴片、覆层基板、支柱、卦型超材料结构以及同轴电缆，所述金属接地板贴合在所述微带天线介质基板的下表面，所述的微带天线辐射贴片贴合在所述的微带天线介质基板的上表面，所述的同轴电缆穿过所述的微带天线介质基板，而且与所述的微带天线辐射贴片和所述的金属接地板相连接，所述的覆层基板置于所述的微带天线介质基板上方半波长处，所述的微带天线介质基板通过支柱与覆层基板相连，所述的卦型超材料结构贴合在所述的覆层基板上表面，所述的卦型超材料结构由16个卦型基元构成，所述卦型基元共记16个，分布为4行4列，整体结构左右对称，每个卦型基元由三条平行的卦线组成，并把连续的卦线记为1，中间带断口的卦线记为0。
2.根据权利要求1所述的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，其特征在于：所述单个卦型基元中卦线之间的间距为0.45mm，连续的卦线是由2.10mm×0.40mm×0.017mm的覆铜片构成；中间带断口的卦线是由两条0.75mm×0.40mm×0.017mm覆铜片组成，且两个平行的铜片之间的水平间距为0.6mm，所述的卦型基元之间的间距为0.533mm，且上下左右间距相等。
3.根据权利要求1所述的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，其特征在于：所述金属接地板规格为14mm×14mm×0.017mm，即在整个基板背面刻蚀金属铜覆层。
4.根据权利要求1所述的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，其特征在于：所述微带天线介质基板为14mm×14mm×0.762mm的Rogers RO4350b，厚度为0.762mm，介电常数为3.66，损耗正切为0.004。
5.根据权利要求1所述的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，其特征在于：辐射贴片的材料为铜，辐射贴片的长为4.0945mm，宽为2.8801mm。
6.根据权利要求1所述的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，其特征在于：覆层基板尺寸为14mm×14mm×1.524mm，材料为Rogers RO4350b。
7.根据权利要求1所述的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，其特征在于：所述微带天线介质基板和覆层基板的距离为6.25mm。
8.根据权利要求1所述的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线，其特征在于：所述同轴电缆的中心在微带天线基板正中心向y轴方向偏移0.8341mm的位置上，所述同轴电缆的特性阻抗值为50Ω。
9.一种高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）设置覆层型微带天线基本结构：覆层型微带天线由两部分组成，下部分是基本微带天线，上部分是覆层；基本微带天线的组成从上到下依次是：微带天线辐射贴片、微带天线介质基板、同轴电缆、金属接地板，同轴电缆设计在在微带天线介质基板中；覆层的组成从上到下依次是：超材料结构、覆层基板；基本微带天线和覆层之间用四根支柱作为支撑，把两部分连接起来；
（2）定义超材料结构的设计域：超材料结构分布在略小于覆层基板尺寸的正方形区域内，并将这个正方形区域再划分为4行4列的小正方形区域，这些小正方形即为基元，小正方形区域的大小相等，并且小正方形区域之间存在间隙；
（3）设置卦型超材料的结构及定义设计变量：每个小正方形区域被离散化成三条卦线，即为卦型基元，卦线之间存在一定的间距，卦线有断线和连线两种选择，每个基元卦线的断与连可以任意组合，卦线的断与连对应于二进制0-1变量，即为设计变量，每个卦型基元有8种分布的可能性，分别为000、001、010、011、100、101、110、111；
（4）定义约束条件及设计目标：优化问题的约束条件为天线的求解频率24GHz和卦型基元结构的左右对称布置，设计目标为超材料微带天线增益最大化；
（5）求解拓扑优化问题：用遗传算法对卦型超材料结构进行优化，首先用MATLAB遗传算法工具箱生成初始种群，然后用MATLAB和电磁仿真软件协同仿真完成种群中个体天线的建模与仿真计算，获取天线的最大增益作为适应度，再对终止准则进行判断，若不满足终止准则，则生成下一代种群重新进行迭代，若满足终止准则则求解结束，最终得到最优个体；
（6）确定卦型超材料微带天线的结构：根据拓扑优化得到的最优个体的0-1变量分布，反推出卦型基元中卦线的排布，0代表断线，1代表连线，最终得到卦型基元微带天线的结构。
10.根据权利要求9所述的高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线的设计方法，其特征在于：所述卦型超材料结构中的设计变量的0-1编码分布为：100、100、111、111、111、111、100、001。
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| CN202110636889.2A CN113328242B (zh) | 2021-06-08 | 2021-06-08 | 一种高制备性的卦型基元超材料覆层型微带天线及其设计方法 |
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