[发明专利]基于拓扑优化的K波段超材料覆层微带天线及设计方法

说明书

本发明公开了一种基于拓扑优化的K波段超材料覆层微带天线及设计方法，所述微带天线包括天线基板，天线基板的下表面设置有金属接地板，上表面中部设置有微带贴片，微带贴片上设置有同轴线馈电探针，天线基板的上方平行设置有天线覆层基板，天线基板与天线覆层基板之间通过支柱连接，天线覆层基板上刻蚀若干个超材料基元，超材料基元呈阵列排布结构，每一个超材料基元离散成正方形的网格结构，每一个网格内对应一个设计元素x_i，所有设计元素x_i的集合X构成超材料基元的拓扑构型。本发明解决了天线设计过程中超材料基元与微带天线匹配困难的问题，具有结构简单、制备方便和增益高的优点。

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，具体地指一种基于拓扑优化的K波段超材料覆层微带天线及设计方法。

背景技术

微带天线因体积小、结构简单、成本低、易与其他电磁器件共形等的优点获得广泛应用，但是传统的微带天线的增益相对较低、阻抗带宽窄、性能受介质板材影响较大，易激励表面波导致能量损耗等缺点制约微带天线的进一步发展和应用。为了提高微带天线的增益性能，研究者提出了使用低介电常数介质板、添加寄生贴片和天线阵列等改进方法，但这些方法在提升天线增益性能的同时存在尺寸变大、结构复杂和成本增加等问题。随着电磁超材料的出现，为改进微带天线的增益性能提供了新思路，超材料是一类基元微结构经过精心设计从而呈现出异于常规材料的超常物理性质可以用来提升天线的方向性。在超材料微带天线设计中，超材料基元与微带天线的合理匹配成为新的设计难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于拓扑优化的K波段超材料覆层微带天线及设计方法，解决了天线设计过程中超材料基元与微带天线匹配困难的问题，具有结构简单、制备方便和增益高的优点。

为实现上述目的，本发明所设计的基于拓扑优化的K波段超材料覆层微带天线，包括天线基板，其特殊之处在于，所述天线基板的下表面设置有金属接地板，上表面中部设置有微带贴片，所述微带贴片上设置有同轴线馈电探针，所述天线基板的上方平行设置有天线覆层基板，所述天线基板与天线覆层基板之间通过支柱连接，所述天线覆层基板上刻蚀若干个正方形或矩形的超材料基元，所述超材料基元呈阵列排布结构，并将其覆铜区域离散为一定规模的正方形铜贴片，每一个方格子铜贴片对应一个设计元素x_i，x_i＝1时表示所在网格采用铜贴片材料，x_i＝0时表示所在网格采用空材料，所有设计元素x_i的集合X构成超材料基元的拓扑优化变量；所述超材料基元的拓扑优化变量基于遗传算法的拓扑优化模型计算得到，所述拓扑优化模型为：

式中，X为设计元素集合，M为超材料基元6离散化的方格子总数，A_e为天线的有效面积，f为超材料微带天线的工作频率，f_a为天线的载波频率，C为真空中光速。

进一步地，所述超材料基元的相邻网格间设计有重叠区域，引入冗余设计有效避免离散机构拓扑优化中的棋盘格式，保证了超材料覆层型微带天线的制备性能。

更进一步地，所述超材料基元的网格结构为左右或上下对称结构。

更进一步地，超材料微带天线的工作频率f为24GHz。

更进一步地，所述超材料基元与微带天线基板之间的距离为6.25mm。

更进一步地，所述支柱为设置于天线基板四角的圆形柱体。

更进一步地，所述超材料基元呈正方形阵列排布于天线覆层基板上。

本发明还提出一种基于拓扑优化的K波段超材料覆层微带天线的设计方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：