基于拓扑优化的高增益毫米波微带阵列天线设计.pdf

湖北汽车工业学院学报Journal of Hubei University of Automotive Technology第 37 卷第 2 期2023 年 6 月Vol.37 No.2Jun.2023doi：10.3969/j.issn.1008-5483.2023.02.012基于拓扑优化的高增益毫米波微带阵列天线设计陆海斌1，董焱章1，2，刘启鑫1，王永刚1（1.湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002；2.汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北 十堰 442002）摘 要：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%。关键词：卦型基元；超材料；微带阵列天线；高增益；拓扑优化中图分类号：TN822；TP18文献标识码：A文章编号：1008-5483（2023）02-0057-04Design of High-gain Millimeter-wave Microstrip Array AntennaBased on Topology OptimizationLu Haibin1,Dong Yanzhang1,2,Liu Qixin1,Wang Yonggang1（1.School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Industry,Shiyan 442002，China;2.Hubei Provincial Key Laboratory of Automotive Power Transmission and Electronic Control,Shiyan 442002，China）Abstract：Based on the theory of microstrip antenna theory,a reference structure of 77 GHz microstripsingle radiation patch antenna was designed,and a substrate cross-shaped array antenna containing 13microstrip radiation patches was proposed.A metamaterial cladding structure was added to the designed antenna,and topology optimization was used to complete the design of the covered cross-shapedmicrostrip array antenna,and the high gain mechanism was discussed.The simulation results show thatthe gain performance of the covered cross-shaped microstrip array antenna is improved by 35.0%compared with the substrate cross-shaped array antenna.Key words：Baguaelements;metamaterial;microstriparrayantenna;highgain;topologyoptimization收稿日期：2022-07-02；修回日期：2023-02-23基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（11502075）；湖北省自然科学基金面上科学基金（2022CFB457）；汽车零部件技术湖北省协同创新项目（2015XTZX0401）；湖北汽车工业学院博士科研启动基金（BK201501）第一作者：陆海斌(1997-)，男，硕士生，从事结构优化设计方面的研究。E-mail：通信作者：董焱章(1983-)，男，博士，教授，从事结构与多学科优化、超材料设计等方面的研究。E-mail：随着现代通信技术的发展，微带天线凭借体积小、易加工和价格低而广受青睐，但普通微带天线往往无法满足高增益等性能极限设计需求1。采用阵列天线设计是比较有效的解决方案。近年来，2023年6月湖北汽车工业学院学报智能驾驶技术的飞速发展使得77 GHz阵列天线逐渐成为研究热点2。研究者沿袭传统设计模式，基于经验将多个典型的微带贴片按一定的规律进行排布来提高天线的增益性能3-5，设计的核心是通过调整天线的尺寸或阵元间距使其性能提升。基于超材料理论设计天线在提升天线增益性能等方面同样具有优势。一种设计是将电磁带隙结构6-8和缺陷的结构9-11等超材料布置在微带天线的基板上，以此来抑制天线表面波的传播。另一种设计是通过在微带天线上方加载零折射率结构等超材料12-15，来改变电磁波的传播模式，提升微带天线的方向性。因此，如何在微带阵列天线加载超材料结构来设计高增益毫米波微带阵列天线就显得格外重要。以前的研究者依靠经验确定超材料结构的初始构型，通过尺寸调整或形状优化的方式达到与微带天线的匹配，这样的设计范式通常具有较大的局限性。此时，更有效的设计方案是利用拓扑优化技术完成设计16-17。文中提出了十字形微带阵列天线设计基准，基于拓扑优化的设计理念对十字形阵列天线的覆层超材料基元进行优化设计，并探讨了覆层型毫米波阵列天线的高增益机理。1十字形微带阵列天线设计1）矩形微带贴片天线作为微带阵列天线的基本元素，微带贴片的形状有圆形18-19、矩形和多边形20等。工程应用中出于降低阵列天线加工制备和端口匹配等难度，通常采用矩形微带贴片作为微带阵列天线的基本单元。矩形微带贴片的尺寸估算公式21为W=cf()r+12-1 2,L=c2feff=-2L（1）式中：W、L分别为矩形微带贴片的宽度和长度；r为介质基板的相对介电常数；eff为介质基板的等效介电常数；L为等效缝隙辐射长度。综合考虑，文中选取Rogers RT/duroid 5880 作为毫米波微带天线的介质基板材料，相对介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，厚度为0.254 mm。当天线的中心工作频率为77 GHz 时，按式（1）计算出矩形微带贴片的L为1.14 mm，W为1.54 mm。为了馈电网络设计的方便，采用传统的同轴馈电方式对矩形微带贴片进行馈电。矩形微带贴片结构如图1a所示。借助电磁仿真软件进行分析，得到矩形微带贴片天线的三维增益方向见图1b，矩形微带贴片天线的最大增益值仅为7.22 dB，无法达到工程使用要求，因此需要进行必要的尺寸优化设计，提升其增益性能。2）十字形毫米波微带阵列天线以图1的矩形微带贴片天线为基准模型，按照一定次序布置13个矩形微带贴片（阵元），形成十字形毫米波微带阵列天线，其中心的辐射贴片连通同轴馈电探针。微带阵列天线虽然在一定程度上提升了天线性能，但多个辐射贴片间存在程度不一的互耦作用，影响天线的性能表现。通常调整阵列天线每个阵元的间距即可改善阵元间的互耦，使得阵列天线的性能达到更优。文中借助电磁仿真软件对十字形毫米波微带阵列天线的辐射贴片间距进行尺寸寻优，其最终的十字形微带阵列天线贴片结构见图2a。相应的三维增益方向见图2b，十字形微带阵列天线的最大增益为11.82 dB，与矩形微带贴片天线相比，增益性能提升了64.0%。13.35mm12.1mma 结构图b 三维增益方向图图2 十字形微带阵列天线结构及增益方向图2覆层型毫米波阵列天线设计2.1 目标函数和设计域为进一步提升天线的增益性能，对十字形毫米波微带阵列天线加超材料覆层，并对其实施拓扑优化设计。因为增益是衡量微带天线性能的核心指标，与天线的效率、方向性有着密切联系，描述了天线功率集中辐射的程度。因此，文中选择增益性能作为覆层型十字形毫米波微带阵列天线拓扑优化设计的目标函数。对微带天线中超材料覆层金属贴片（设计域）进行离散化，得到有限组卦线基元，具体是通过遗传优化算法的迭代确定设计域内卦1.14 mm1.54 mma 矩形微带贴片b 三维增益方向图图1 矩形微带贴片及天线增益图 58第37卷 第2期线的断开或连接，留存的卦线基元即为超材料基元最优拓扑布置方案。考虑到与底层基板的十字形毫米波微带阵列天线部分的协同设计，将覆层介质基板的超材料阵元设计成33阵列的形式，具体的超材料卦线基元覆层离散设计示意如图3所示。abXi=0Xi=1Xi=0 空材料(断开)1 铜材料(连接)图3 超材料卦线基元覆层离散设计示意图2.2 覆层型毫米波阵列天线设计算例以 77 GHz 车用毫米波雷达内置微带天线为例，十字形毫米波微带阵列天线的超材料覆层基板采用与底层基板相同的介质材料Rogers RT/duroid5880，经简单的测算确定覆层与底层的间距为2 mm（约1/2波长）。结合遗传算法和拓扑优化，设计的覆层型十字形毫米波微带阵列天线结构如图4a所示，其三维增益方向图如图4b所示。与基板型十字形阵列天线相比，覆层型十字形毫米波微带阵列天线的最大增益值高达16.0 dB，增益性能进一步提升了35.4%。具体的3类微带天线的增益性能对比如表1所示。除了最大增益指标外，天线的半功率波束宽度也是衡量毫米波天线性能的关键指标之一。普通十字形与覆层型十字形的77 GHz毫米波微带阵列天线的E面和H面方向图对比如图5所示。从拓扑优化设计前后的十字形毫米波阵列天线的二维方向图对比可以发现，覆层型十字形毫米波微带阵列天线在E面和H面的波束宽度均得到了显著提升，其中E面的波束宽度增大了4，H面的波束宽度增大了15，再次验证了基于超材料的拓扑优化设计对提升77 GHz毫米波微带阵列天线的增益性能是有效的。不同毫米波阵列天线的最大增益和阻抗带宽等指标对比如表2所示。由表2对比可知，文中设计的天线综合性能更好。a E面b H面覆层型十字形基板型十字形图5 2种构型微带阵列天线的方向图表2 不同天线性能对比天线来源文献 3文献 4文献 5文中带宽范围/GHz76.577.575.777.677.081.075.582.2带宽/GHz1.01.94.06.7最大增益/dB11.315.610.2216.03覆层型天线的高增益机理分析通过拓扑优化实现了覆层型毫米波阵列天线的高增益设计，为探究其高增益机理，对比了普通型单贴片微带天线、普通型十字形阵列天线和覆层型毫米波阵列天线的辐射主轴方向电场分布，结果见图6。从主轴方向电场对比图可以看出，与阵列a 结构图b 三维增益方向图图4 覆层型毫米波阵列天线结构及三维增益方向图表1 不同类微带天线的增益性能对比天线类型普通型单贴片微带天线基板型十字形阵列天线覆层型十字形阵列天线增益/dB7.2211.8516.0提升效果基准64.0%121.6%a 普通型单贴片微带天线b 基板型十字形阵列天线c 覆层型毫米波阵列天线图6 不同结构天线的主轴方向电场分布陆海斌，等：基于拓扑优化的高增益毫米波微带阵列天线设计 592023年6月湖北汽车工业学院学报天线相比，普通单贴片微带天线的电磁波在主轴方向几乎以球面波的形式向四周扩散，方向性较差，这是十字形毫米微带阵列天线增益性能远大于普通单贴片微带天线的关键因素。由于超材料的结构布置对空间电磁波进行了调控，覆层结构中超材料卦型基元在一定程度上抑制了阵列天线中阵元之间的互耦作用，使得电磁波更趋向于以沿于主轴方向的准平面波模式，提升了天线的方向性，达到提高天线增益性能的效果。4结论文中基于遗传算法的拓扑优化方案，设计了覆层型十字形毫米波微带阵列天线，其增益和半功率波束宽度均得到了显著提升。覆层型天线的工作带宽可覆盖 75.582.2 GHz，峰值增益值为16.0 dB，在77 GHz车载毫米波雷达领域有着良好的应用前景。覆层型毫米波阵列天线高增益机理探讨表明，超材料基元对阵列天线阵元互耦的抑制是覆层型毫米波阵列天线增益性能提升的关键。参考文献：1王帅，梁领帅，李书芳.基于EBG结构的2.45 GHz可穿戴天线设计 J.河南理工大学学报（自然科学版），2021，40（6）：140-148.2 Yang S，Zhang L J，Fu J，et al.Design and Optimizationfor 77 GHz Series-fed Patch Array Antenna Based on Genetic Algorithm J.Sensors（Basel，Switzerland），2020，20（11）：3066.3姜兴，祝雪龙，廖欣，等.77GHz汽车角雷达宽波束平坦增益阵列天线设计 J.电波科学学报，2021，36（1）：43-48.4 金良，葛俊祥.77GHz车载防撞雷达新型天线阵设计J.固体电子学研究与进展，2018（5）：343-347，359.5 Mosalanejad M，Ocket I，Soens C，et al.Low-cost Multi-layer Parasitic Patch Antenna Array for 79 GHz Automotive Radar Applications J.Microwave and Optical Technology Letters，2019，61（1）：56-62.6Melouki N，Hocini A，Denidni T A.Performance 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