[发明专利]基于冗余设计的K波段超材料微带天线及设计方法

说明书

本发明公开了一种基于冗余设计的K波段超材料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，上表面中部设置有辐射贴片，辐射贴片中部设置有同轴线馈电探针，辐射贴片的四周环绕设置超材料基元，每一个超材料基元形成正方形或矩形的网格结构，每一个网格内对应一个设计元素x_i，x_i＝1时表示网格采用铜贴片材料，x_i＝0时表示网格采用空材料，设计元素x_i的集合X构成超材料基元的拓扑构型；超材料基元的拓扑构型基于遗传算法的拓扑优化模型计算得到。本发明通过离散结构的拓扑优化解决超材料基元与微带天线的合理匹配的难题，通过冗余设计避免出现棋盘格导致的天线制备困难。

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，具体地指一种基于冗余设计的K波段超材料微带天线及设计方法。

背景技术

传统的微带天线的增益相对较低、性能受介质板材影响较大，易激励表面波导致能量损耗、功率容量较低、频带较窄、方向性比较差等缺点制约微带天线的进一步发展和应用。近年来，随着超材料理论的发展，超材料开始在微波和天线等领域得到应用，超材料可以实现天线的小型化、高增益、大带宽。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是设计的难点，离散结构的拓扑优化往往会出现棋盘格式而导致天线制备困难，为此需要提出一种在超材料离散结构的拓扑优化建模过程中能够消除结构的棋盘格式的加工性好的高增益微带天线。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于冗余设计的K波段超材料微带天线及设计方法，通过离散结构的拓扑优化可以解决超材料基元与微带天线的合理匹配的难题，通过冗余设计避免出现棋盘格导致天线制备困难。

为实现上述目的，本发明所设计的基于冗余设计的K波段超材料微带天线，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，上表面中部设置有辐射贴片，所述辐射贴片中部设置有同轴线馈电探针，所述同轴线馈电探针的一端与辐射贴片连接，另一端与金属接地板连接，所述辐射贴片的四周环绕设置超材料基元，每一个超材料基元离散为若干个正方形网格结构，每一个网格内对应一个设计元素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构型；所述超材料基元的拓扑构型基于遗传算法的拓扑优化模型计算得到，所述拓扑优化列式表达为：

式中，X为设计元素集合，M为超材料基元1的网格个数，A_e为超材料微带天线的有效面积，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，x_i＝1时铜贴片材料的面积大于网格面积。

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，所述同轴线馈电探针的特性阻抗为50欧姆。

更进一步地，所述超材料基元沿辐射贴片外围成圈状刻蚀于介质基板上。

更进一步地，所述超材料基元中当x_i＝1时网格中采用的铜贴片材料的长度方向与宽度方向均大于网格0.01～0.1mm以消除铜贴片之间的棋盘格式。

更进一步地，所述介质基板上超材料基元与边缘处设有空隙，所述超材料基元之间设有空隙。

更进一步地，所述同轴线馈电探针设置于辐射贴片中心且偏向辐射贴片宽度方向1.2523mm。

本发明还提出一种基于冗余设计的K波段超材料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：