应用案例：基于结构拓扑优化的宽频带圆极化宽槽天线设计案例

看到参考文献中的天线设计思路比较新颖有趣，就尝试通过仿真实现。现在的仿真结果和文献中的结果一致性很好。在仿真过程中发现，文献中存在部分参数未提供，部分参数抄写错误的情况，也在本例最后提供了参数修正参考表。

01 背景简介

通过结构拓扑优化实现宽槽天线的宽频带圆极化特性，通常需要同时优化多个结构参数（通常为20-30个参数），大量的参数扫描和参数寻优工作使得天线的设计难度很大。文献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.中提出了一种根据设计意图，逐步更改天线的拓扑，实现宽槽天线的宽频带圆极化的设计方案。本文参考上述文献的设计思路，应用ANSYS HFSS软件，实现了一种基于宽槽天线的宽频带圆极化天线设计。

本文研究的宽槽天线（Antenna_1）的基板材质是RO4003C（er=3.38，tan(δ)=0.0027，h=0.813mm），其顶视图和仰视图如下图所示。设计目标是在3GHz至9GHz的宽频带范围内，优化天线的S参数和轴比。

根据以往的天线设计经验，上述天线的阻抗匹配带宽很窄，并且是线性极化的。拓扑优化的第一步是为了增加圆极化所需的Ex和Ey分量，在微带线上方加入一个倒L形状的高阻抗寄生贴片（Antenna_2）。这一步的设计目标是实现天线在7GHz附近具备圆极化特性。

拓扑优化的第二步是优化背板拓扑，进一步增加圆极化所需的Ex和Ey分量（Antenna_3）。这一步的设计目标是改善天线的阻抗匹配特性和圆极化特性。

拓扑优化的第三步是调整天线共面地的高度（Antenna_4），通过增大共面地的面积进一步改善天线的阻抗匹配和圆极化特性。

上述优化设计过程中，每一步涉及的结构参数均不超过4个，极大的降低了参数寻优的工作量。

02 HFSS仿真流程和结果

2.1 结构参数（mm）

在Antenna_1仿真时，取Lg1=4mm，Lg2=4mm，Wc=28mm。

2.2 仿真结果

上述天线的S参数和轴比计算结果如下图所示。计算结果表明，每一步的拓扑优化都实现了设计目的，最终的设计结果基本上实现了4GHz至7GHz范围内的圆极化（S11<-10dB,AR<3）。

Antenna_4，5GHz时表面的电流分布如下图所示（0度，90度，180度，270度），呈现出随相位角的周期变化，表明天线具有圆极化的特性。

Antenna_4，7GHz时表面的电流分布如下图所示（0度，90度，180度，270度），呈现出随相位角的周期变化，表明天线具有圆极化的特性。

Antenna_4，3.5GHz、4.5GHz、5.5GHz、6.5GHz、7.5GHz时，在XOZ平面内，左旋增益和右旋增益的对比如下图所示，表明天线是左旋圆极化的。

Antenna_4，3.5GHz、4.5GHz、5.5GHz、6.5GHz、7.5GHz时，在YOZ平面内，左旋增益和右旋增益的对比如下图所示，表明天线是左旋圆极化的。

03 结 论

1. 传统的单点馈电宽槽天线是窄带线性极化天线；
2. 本文基于一种新的结构拓扑优化方法实现了对上述天线的宽频带圆极化改进；
3. ANSYS HFSS软件的仿真结果（端口参数、轴比、天线表面电场分布、远场圆极化增益）与文献中的计算结果具有高度的一致性；
4. 上述的结论表明，ANSYS HFSS计算精度高，后处理能力完备，适用于天线设计。

后记： 

为便于后续的仿真参考，这里也将文献中结构参数的勘误表一并发出来：

文献中未提供的参数如下：

Wm = 1.35mm， Antenna_1中，Lg1 = 4mm，Lg2 = 4mm， Wc = 28mm

文献中抄写错误的参数如下：

g = 0.6325 mm（基于作者的另一篇文献）

Lv = 9.88 mm （即原文中的Lv + Wh）

Ls1 = 10.35 mm （即原文中的Ws2）

Ls2 = 8.33 mm （即原文中的Ws1）

Ws1 = 8.27 mm （即原文中的Ls2）

Ws2 = 6.24 mm （即原文中的Ls1）

Lg2 = 4.96mm （原文中为5.96mm）

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