摘要

通過結構拓撲優(yōu)化實現寬槽天線的寬頻帶圓極化特性，通常需要同時優(yōu)化多個結構參數（通常為 20-30 個參數），大量的參數掃描和參數尋優(yōu)工作使得天線的設計難度很大。文獻 Ubaid Ulah and Slawomir Koziel, “A Geometrically Simple Compact Wideband Circularly Polarized Antenna,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 18, no. 6, pp. 1179-1183 June. 2019. 中提出了一種根據設計意圖，逐步更改天線結構拓撲，實現寬槽天線的寬頻帶圓極化設計方案。本文參考上述文獻的設計思路，應用 ANSYS optiSLang 和 ANSYS HFSS 軟件，實現了一種基于寬槽天線的寬頻帶圓極化天線設計。

本文研究的寬槽天線是典型的窄頻帶線性極化天線，其基板材質是 RO4003C（ ，，），頂視圖和仰視圖如下圖所示。設計目標是在 4GHz 至 7GHz 的寬頻帶范圍內，將天線的軸比降低至 3dB。

優(yōu)化的第一階段是為了增加圓極化所需的和分量，在微帶線上方加入一個倒 L 形狀的高阻抗寄生貼片。設計目標是在 7GHz 附近產生軸比的最小值，優(yōu)化目標是軸比最小值位于 7GHz 附近（本文選取軸比最小值位于 7.6GHz），并且 3.4GHz 至 7.6GHz 頻段軸比的最大值最小（為了便于實現寬頻段計算，本文將掃頻設置為 3GHz 至 9GHz 離散掃頻，間隔為 0.2GHz）。

優(yōu)化的第二階段是優(yōu)化背板拓撲，進一步增加圓極化所需的和分量。設計目標是進一步降低 4GHz 至 7GHz 頻段的軸比，優(yōu)化目標是 4GHz 至 7GHz 頻段軸比的最大值最小。

優(yōu)化的第三階段是調整天線共面地的高度，設計目標是通過增大共面地的面積進一步降低 4GHz 至 7GHz 頻段的軸比，優(yōu)化目標是 4GHz 至 7GHz 頻段軸比的最大值最小。

2.HFSS 仿真流程和結果

仿真優(yōu)化過程中涉及的結構參數如下圖所示，各參數取值可以參考原文獻。

2.1 第一階段

第一階段涉及的優(yōu)化參數包括：g1，g2，Lh，Lv，Wh，Wv，各參數初始值即為參考文獻值。應用 optiSLang 軟件導入 HFSS 工程文件，優(yōu)化目標選取和設置如下圖所示，即軸比最小值點為 7.6GHz，并且 3.4GHz 至 7.6GHz 頻段上軸比的最大值最小。

在 optiSLang 的參數敏感度分析中選用 AMOP 方法，最大采樣數量設為 500，目標 CoP 設為 0.9。參數敏感度分析結果如下圖所示，結果表明軸比最小值的位置和目標頻段內軸比的最大值主要由參數 Lh 和 Lv 影響，這與設計思路中增加圓極化所需的和分量是吻合的?；趨得舾卸确治觯琽ptiSLang 推薦的優(yōu)化算法是 EA（Evolutionary Algorithm），優(yōu)化結果是軸比最小值位于 7.6GHz，目標頻段內軸比整體下降大約 3dB。

2.2 第二階段

第二階段涉及的優(yōu)化參數包括：Wc，Ls1，Ls2，Ws1，Ws2，各參數初始值即為參考文獻值。優(yōu)化目標選取和設置與第一階段類似，這里不再贅述。優(yōu)化目標是 4GHz 至 7GHz 頻段上軸比的最大值最小。

在 optiSLang 的參數敏感度分析中選用 AMOP 方法，最大采樣數量設為 500，目標 CoP 設為 0.9。實際運行過程中采樣 168 個點，已經達到 CoP 目標，參數敏感度分析完成。參數敏感度分析結果如下圖所示，結果表明目標頻段內軸比的最大值主要由參數 Wc、Ls1 和 Ws1 影響，Ls2 和 Ws2 的影響很小（倒 L 形狀的高阻抗寄生貼片背面拓撲的變化不會顯著影響天線的軸比，符合我們通常對感應電場分量的理解）?；趨得舾卸确治?，optiSLang 推薦的優(yōu)化算法是 NLPQL，即優(yōu)化目標隨各輸入變量的變化是近似單調的，優(yōu)化結果是 4GHz 至 5.2GHz 頻段軸比變化不大，6GHz 至 7GHz 頻段軸比最大值下降大約 2dB。

2.3 第三階段

第三階段涉及的優(yōu)化參數包括：Lg1 和 Lg2，各參數初始值即為參考文獻值。優(yōu)化目標選取和設置與第二階段類似，這里不再贅述。優(yōu)化目標是 4GHz 至 7GHz 頻段上軸比的最大值最小。

在 optiSLang 的參數敏感度分析中選用 AMOP 方法，最大采樣數量設為 500，目標 CoP 設為 0.9。實際運行過程中采樣 168 個點，已經達到 CoP 目標，參數敏感度分析完成。參數敏感度分析結果如下圖所示，結果表明目標頻段內軸比的最大值主要由參數 Lg1 影響（倒 L 形狀的高阻抗寄生貼片與 Lg1 側共面地接近，因此其變化會更顯著地影響天線的軸比）。基于參數敏感度分析，optiSLang 推薦的優(yōu)化算法是 NLPQL，即優(yōu)化目標隨各輸入變量的變化是近似單調的，優(yōu)化結果是目標頻段軸比最大值下降大約 2dB，目標頻段軸比整體處于 3dB 以下。

3. 難點與總結

參考文獻中提出的天線設計方法是一個設計思路并不包含天線優(yōu)化設計過程的參數選取方法，第一階段的優(yōu)化目標是不完全清晰的（軸比最小值在 7GHz 附近）。經過反復嘗試，本文大體可以確定這個最小值點選取在 7.6GHz 是合適的。

應用 optiSLang 軟件不僅可以幫助我們實現優(yōu)化目標還可以幫助我們分析天線設計思路潛在的機理。例如針對上述問題，在參數敏感度分析過程中，我們發(fā)現設計第一階段軸比最小值點主要受到 Lv 的影響，而第三階段目標頻段內軸比的最大值主要受到 Lg1 的影響。如果第一階段優(yōu)化目標選取的不合適，導致第三階段優(yōu)化失敗，可以在第三階段優(yōu)化參數中增加 Lv，達到和本文類似的優(yōu)化結果。篇幅所限，具體仿真過程這里不再贅述。