技术编程|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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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HFSS 仿真流程和结果
2.1 结构参数（mm）
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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
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