基于卦型基元的高增益超材料微带天线拓扑优化

针对超材料微带天线在拓扑优化中存在基元结构复杂导致加工高精度要求等问题,本文提出了一种极简设计理念——卦型基元;并基于卦型基元完成了超材料微带天线的拓扑优化设计,在保证天线高增益性能的同时,超材料结构构型简洁从而具有良好的可制备性。超材料结构由固定的圆弧基元和变化的卦型基元组成,其中卦型基元中每条卦线对应一个设计变量,每个设计变量的取值规则为1对应连续卦线、0对应断口卦线。继而以天线增益最大化为目标函数、工作频率24 GHz为约束建立超材料微带天线设计的拓扑优化模型;并基于遗传算法的求解策略分别研究了对称型和非对称型超材料微带天线算例。分析结果表明基于卦型基元的超材料微带天线增益均得以显著提高,且四重卦线基元结构具有更大的增益;超材料结构的对称性可以保证辐射方向为Z轴主方向;样品制备效果验证了卦型基元超材料微带天线的良好制备性;对拓扑优化设计的深入分析发现,相比方格子基元,卦型基元设计更具有高效性。最后从天线的表面波角度阐释了其高增益性能的机理。

基于拓扑优化的高增益毫米波微带阵列天线设计

基于微带天线理论设计了77 GHz微带单辐射贴片天线的基准结构,提出了包含13个微带辐射贴片的基板型十字形阵列天线,对该阵列天线添加超材料覆层结构,利用拓扑优化完成覆层型十字形微带阵列天线设计,并探讨了其高增益机理。仿真结果表明:相比于基板型十字形阵列天线,覆层型十字形微带阵列天线的增益性能提升了35.0%。