CN114914698B - 一种覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线的设计方法，包括如下步骤：S1、为微带天线的介质基板和覆层基板选取适当的板材；S2、对24GHz和77GHz频段的辐射贴片尺寸进行计算，使得双频矩形辐射贴片的长度尺寸对应一个毫米波波长，其宽度则对应另一个毫米波波长；S3、对双频辐射贴片对角线的一角通过同轴电缆进行馈电，经阻抗匹配计算后使得天线在24GHz和77GHz处出现强烈的谐振；S4、覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线支柱的制备；在介质基板与覆层基板之间设置四根支柱作为支撑，使得上下间距为1.9mm；S5、基于遗传算法对微带天线的卦线阵元进行拓扑优化设计；S6、求解微带天线的拓扑优化问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，具体涉及一种覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线的设计方法。
背景技术
毫米波微带天线具有体积小、剖面低、易共形、波束窄、探测精度高等优点,在导弹制导、机载雷达、卫星通信等方面获得了广泛应用。但微带天线因其自身的一些缺点,尤其是带宽过小以及较低的增益性能, 越来越不能满足人们对天线性能多样化的使用要求。
目前，两个或多个频段的通信系统是无线通信发展的一个重要方向，无人驾驶时代的到来又进一步推动了毫米波天线的快速发展。当前毫米波雷达传感器按工作频率一般分为24GHz和77GHz两种。其中24GHz毫米波雷达一般用于短距离雷达，77GHz毫米波雷达虽然可以在探测距离上满足中短距和长距离探测目标要求，但是77GHz毫米波雷达在短距离范围内的波束宽度较小会导致其探测目标数量减少，雷达的安全性能也会因此而下降。双频毫米波天线的实现能够结合24GHz毫米波雷达和77GHz毫米波雷达的优势，使得天线在多个频段工作的同时，进一步提高天线的空间利用率，达到集成化和多频化的目的，因此微带天线正在向双频和多频方向发展。但现有的双频或多频微带天线大多是处于较低频的工作频带或几个邻近的频带工作，难以满足智能驾驶时代下人们对于天线性能的高需求。
现有的研究者对超材料覆层型天线进行了研究并取得了相关的专利授权和论文成果，但目前的超材料覆层型天线均属于某一频段的单频段天线，而将毫米波双频天线与超材料卦线基元相结合进行拓扑优化的双频天线设计方法其他研究者尚未有过研究。本发明的覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线是将覆层的超材料卦线基元与毫米波双频天线相结合，在保证毫米波微带天线具备双频特性的同时，天线的增益性能也得到明显提升，在实际应用中可同时兼顾中远距离的目标探测，有望成为当前毫米波雷达系统的新选择。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线的设计方法，整体结构简洁，可制备性强，具有在两个毫米波频段方向图高度对称、辐射效率高且具备较好增益性能等优点。
本发明是通过如下技术方案实现的：
提供一种覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线的设计方法，包括如下步骤：
S1、为覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的介质基板和覆层基板选取适当的板材；
S2、基于微带天线设计理论分别对24GHz和77GHz频段的辐射贴片尺寸进行计算，使得双频矩形辐射贴片的长度尺寸对应一个毫米波波长，其宽度则对应另一个毫米波波长；
S3、对双频辐射贴片对角线的一角通过同轴电缆进行馈电，经阻抗匹配计算后使得天线在24GHz和77GHz处都出现强烈的谐振；
S4、覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线支柱的制备；在介质基板与覆层基板之间设置四根支柱作为支撑，使得这两部分的上下间距为1.9mm；
S5、基于遗传算法对覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的卦线阵元进行拓扑优化设计；
S6、求解覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的拓扑优化问题。
进一步的，步骤S1中的覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的介质基板与覆层基板的尺寸参数为：15mm×15mm×0.254mm；考虑到毫米波天线的高损耗以及高频电路设计对板材的高要求，所述天线的介质基板和覆层基板采用的材料均为Rogers RT/duroid5880。所述介质基板的下表面有覆铜作为金属接地板。
进一步的，步骤S2中的所述的矩形辐射贴片布置在介质基板上表面中心位置，用于发射或接收电磁波能量。所述双频矩形辐射贴片的长和宽尺寸分别对应两个不同毫米波频段的波长尺寸，所述双频矩形辐射贴片的长对应24GHz天线的辐射贴片尺寸，宽则对应77GHz天线的辐射贴片尺寸，即所述矩形辐射贴片的宽为1.54mm，长为4.0766mm，当从辐射贴片对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上，所述双频矩形辐射贴片的材料为覆铜。
进一步的，步骤S3所述的同轴电缆位于双频矩形辐射贴片的对角线上,以介质基板的正中心为坐标原点，所述同轴电缆的具体坐标位置为（-0.128mm，0.339mm，0mm）。所述双频同轴电缆的特性阻抗值为50Ω，半径为0.2mm，当所述双频同轴电缆对天线进行激励时会产生两个毫米波频段的谐振频率。
进一步的，步骤S4所述的4根支柱的材料为尼龙，高度约为77GHz毫米波的半波长。
进一步的，步骤S5所述的超材料卦线阵元经拓扑优化后按阵列方式均匀布置在覆层基板上表面, 所述超材料卦线阵元由48条断开或连接的卦线基元构成，最后优化得到的覆层超材料卦线基元与毫米波双频微带天线相匹配，不改变双频毫米波微带天线的谐振频率。所述超材料卦线基元的尺寸参数为1.80mm×0.20mm×0.015mm。所述超材料卦线基元的材料为覆铜。
进一步的，所述卦线基元断开部分的水平间距为0.5mm，第三横排和第四横排卦线基元、第六横排和第七横排卦线基元、第九横排和第十横排卦线基元之间的上下间距均为0.433mm；其余横排卦线基元之间的上下间距为0.45mm，所述纵排的卦线基元之间的左右间距均为0.433mm。
进一步的，步骤S5所述的拓扑优化设计，以超材料卦线阵元的断开与连接作为设计变量，24GHz频段作为约束条件，以天线增益性能的最优作为设计目标。
进一步的，步骤S6的具体操作如下：首先用MATLAB遗传算法工具箱生成初始种群，然后用MATLAB调用电磁仿真软件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。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明将超材料卦线基元与双频毫米波天线相结合的同时引入了遗传算法进行辅助优化设计，在保证天线同时在两个毫米波频段工作的条件下对普通构型的基板型双频贴片微带天线进行拓扑优化设计，在提升双频天线工作频率匹配度的同时，大幅度提升了天线的增益，最后得到的覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线不仅兼具了双频工作的功能，并且天线在两个毫米波频段工作时均具备了较高的增益性能，在实际应用中可兼顾中远距离的目标探测。此外，上述技术方案的实现无需复杂的结构，超材料覆层的引入进一步提高了天线的空间利用率，实现了该天线的小型化与集成化。
附图说明
图1为本发明覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的结构示意图。
图2为本发明覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的俯视图。
图3为图1中的介质基板轴侧视图。
图4为覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的回波损耗图。
图5为普通构型的基板型双频贴片微带天线在24GHz频段仿真结果的三维远场辐射增益图。
图6为普通构型的基板型双频贴片微带天线在77GHz频段仿真结果的三维远场辐射增益图。
图7为本发明覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线在24GHz频段的三维远场辐射增益图。
图8为本发明覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线在77GHz频段的三维远场辐射增益图。
图中：金属接地板1﹑介质基板2﹑双频矩形辐射贴片3、同轴电缆4﹑支柱5、覆层基板6﹑超材料卦线基元7。
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。
提出一种覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线的设计方法。主要包括对天线基板部分进行计算设计并完成基板型双频微带天线的设计；再基于该基板型双频微带天线利用遗传算法对双频天线的覆层卦线基元进行拓扑优化设计，最后得到一种基于遗传算法设计的覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线。所述设计方法包括如下步骤：
S1、对天线的基板部分进行选材与计算设计。考虑到毫米波天线的高损耗以及高频电路设计对板材的高要求，天线的介质基板2和覆层基板6采用的材料为Rogers RT/duroid 5880。
S2、在本发明中，双频天线设计的核心部分是通过将双频矩形辐射贴片3的长度对应一个毫米波波长的尺寸，其宽度对应另一个毫米波波长尺寸。
S3、从双频矩形辐射贴片3对角线的一角通过同轴电缆4进行馈电，使得天线在24GHz和77GHz处都出现强烈的谐振。步骤一完成了基板型双频微带天线的设计，后面基于遗传算法设计的覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线是在基板型双频微带天线的基础上进行优化的。
S4、在介质基板2与覆层基板6之间设置四根尼龙圆柱作为支撑，使得这两部分的上下间距为1.9mm。
S5、基于遗传算法对覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的覆层超材料卦线基元进行拓扑优化设计。主要包括定义约束条件及设计目标，本发明在对超材料覆层的卦线基元进行拓扑优化时，以毫米波双频天线的其中一个工作频率，即24GHz频段作为约束条件。以天线增益性能的最优作为设计目标。
S6、求解拓扑优化问题：用遗传算法对覆层超材料卦线基元进行优化，首先用MATLAB遗传算法工具箱生成初始种群，然后用MATLAB调用电磁仿真软件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。
如图1-3所示，覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线包括矩形辐射贴片﹑介质基板2﹑同轴电缆4﹑覆层基板6﹑超材料卦线阵元﹑金属接地板1和尼龙支柱5。所述的微带天线介质基板2通过4根尼龙支柱5与覆层基板6相连。所述超材料卦线阵元按阵列方式均匀布置在覆层基板6上表面。所述金属接地板1贴合在所述介质基板2下表面，所述同轴电缆4穿过所述介质基板2与所述矩形辐射贴片相连接并为所述天线提供激励。
在本实施方式中，矩形辐射贴片的长度对应一个谐振频率，其宽度对应另一个谐振频率, 然后从辐射贴片对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。矩形辐射贴片布置在介质基板2上表面中心位置，用于发射或接收电磁波能量。矩形辐射贴片的宽为1.54mm，长为4.0766mm；矩形辐射贴片的材料为铜。介质基板2与覆层基板6的尺寸参数为：15mm×15mm×0.254mm；考虑到毫米波天线的高损耗以及高频电路设计对板材的高要求，天线的介质基板2和覆层基板6采用的材料均为Rogers RT/duroid 5880。介质基板2与覆层基板6的垂直距离为1.9mm。超材料卦线阵元以每个断开或连接的卦线基元构成，超材料卦线阵元共由48条左右对称的断开或连接的卦线基元组成；超材料卦线基元的尺寸参数为1.8mm×0.20mm×0.015mm；超材料卦线基元的材料为覆铜。卦线基元断开部分的水平间距为0.5mm；第三和第四个卦线基元、第六和第七个卦线基元、第九和第十个卦线基元之间的上下左右间距均为0.433mm；其余卦线基元的上下间距为0.45mm，左右间距为0.433mm。以介质基板2的正中心为坐标原点，经阻抗匹配计算后得到所述同轴电缆4的具体坐标位置为（-0.128mm，0.339mm，0mm），所述同轴电缆4的特性阻抗值为50Ω。
在本实施方式中，一种覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线采用的是同轴馈电激励方式，移动同轴馈电点的位置，可使输入阻抗改变，从而获得相对应的阻抗匹配。
为了使覆层基板6固定于介质基板2上方1.9mm处，本实施方式提供了4根位于介质基板2和覆层基板6四个角位置的尼龙支柱5。
在本实施方式中，将超材料卦线基元的断开与连接作为设计变量，天线增益性能的最优作为优化目标。设计变量取值为0和1分别代表卦线为断线，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”，会得到高增益的覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线。
综上所述，本发明提供了一种用于车载毫米波通信的覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线。通过将矩形辐射贴片的长度对应一个谐振频率，其宽度对应另一个谐振频率,然后从辐射贴片对角线的一角馈电，使得天线在24GHz和77GHz处都出现强烈的谐振，且在两个毫米波频段的回波损耗均低于-20dB,说明双频天线在24GHz和77GHz频段的辐射效率较好，参见图4-8。和其他实现天线双频工作的方式相比，本发明采取的设计方法更加简洁，易于在车载毫米波通讯领域推广。
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 (9)
1.一种覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、为覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的介质基板（2）和覆层基板（6）选取适当的板材；
S2、基于微带天线设计理论分别对24GHz和77GHz频段的辐射贴片尺寸进行计算，使得双频矩形辐射贴片（3）的长度尺寸对应一个毫米波波长，其宽度则对应另一个毫米波波长；
S3、对双频矩形辐射贴片（3）对角线的一角通过同轴电缆（4）进行馈电，经阻抗匹配计算后使得天线在24GHz和77GHz处都出现强烈的谐振；
S4、覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线支柱（5）的制备；在介质基板（2）与覆层基板（6）之间设置四根支柱（5）作为支撑，使得这两部分的上下间距为1.9mm；
S5、基于遗传算法对覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的卦线阵元进行拓扑优化设计；
S6、求解覆层型双频毫米波超材料卦线微带天线的拓扑优化问题。
2.根据权利要求1所述的覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线设计方法，其特征在于：步骤S1中的天线的介质基板（2）和覆层基板（6）采用的材料为厚度0.254mm的RogersRT/duroid 5880，所述介质基板（2）的下表面有覆铜作为金属接地板（1）。
3.根据权利要求1所述的覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线设计方法，其特征在于：步骤S2所述的双频矩形辐射贴片（3）的长和宽尺寸分别对应两个不同毫米波频段的波长尺寸，所述双频矩形辐射贴片（3）的长对应24GHz天线的辐射贴片尺寸，宽则对应77GHz天线的辐射贴片尺寸。
4.根据权利要求1所述的覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线设计方法，其特征在于：步骤S3所述的同轴电缆（4）位于双频矩形辐射贴片（3）的对角线上,以介质基板（2）的正中心为坐标原点，所述同轴电缆（4）的具体坐标位置为（-0.128mm，0.339mm，0mm）。
5.根据权利要求1所述的覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线设计方法，其特征在于：步骤S3所述同轴电缆（4）的特性阻抗值为50Ω,半径为0.2mm，当所述同轴电缆（4）对天线进行激励时会产生两个毫米波频段的大频比谐振频率。
6.根据权利要求1所述的覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线设计方法，其特征在于：步骤S4所述的4根支柱（5）的材料为尼龙，高度为77GHz毫米波的半波长。
7.根据权利要求1所述的覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线设计方法，其特征在于：步骤S5所述的超材料卦线阵元经拓扑优化后按阵列方式均匀布置在覆层基板（6）上表面, 所述超材料卦线阵元由48条断开或连接的卦线基元构成，最后优化得到的覆层超材料卦线基元（7）与毫米波双频微带天线相匹配，不改变双频毫米波微带天线的谐振频率。
8.根据权利要求1所述的覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线设计方法，其特征在于：步骤S5所述的拓扑优化设计，以超材料卦线阵元的断开与连接作为设计变量，24GHz频段作为约束条件，以天线增益性能的最优作为设计目标。
9.根据权利要求1所述的覆层型双频毫米波超材料卦形微带天线设计方法，其特征在于：步骤S6的具体操作如下：首先用MATLAB遗传算法工具箱生成初始种群，然后用MATLAB调用电磁仿真软件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。
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