HFSS应用案例：结合optiSLang实现宽频带圆极化宽槽天线快速优化设计

1     摘要

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，逐步更改天线结构拓扑，实现宽槽天线的宽频带圆极化设计方案。本文参考上述文献的设计思路，应用ANSYS optiSLang和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是典型的窄频带线性极化天线，其基板材质是RO4003C（ ，，），顶视图和仰视图如下图所示。设计目标是在4GHz至7GHz的宽频带范围内，将天线的轴比降低至3dB。

优化的第一阶段是为了增加圆极化所需的和分量，在微带线上方加入一个倒L形状的高阻抗寄生贴片。设计目标是在7GHz附近产生轴比的最小值，优化目标是轴比最小值位于7GHz附近（本文选取轴比最小值位于7.6GHz），并且3.4GHz至7.6GHz频段轴比的最大值最小（为了便于实现宽频段计算，本文将扫频设置为3GHz至9GHz离散扫频，间隔为0.2GHz）。

优化的第二阶段是优化背板拓扑，进一步增加圆极化所需的和分量。设计目标是进一步降低4GHz至7GHz频段的轴比，优化目标是4GHz至7GHz频段轴比的最大值最小。

优化的第三阶段是调整天线共面地的高度，设计目标是通过增大共面地的面积进一步降低4GHz至7GHz频段的轴比，优化目标是4GHz至7GHz频段轴比的最大值最小。

2         HFSS仿真流程和结果

仿真优化过程中涉及的结构参数如下图所示，各参数取值可以参考原文献。

2.1 第一阶段

第一阶段涉及的优化参数包括：g1，g2，Lh，Lv，Wh，Wv，各参数初始值即为参考文献值。应用optiSLang软件导入HFSS工程文件，优化目标选取和设置如下图所示，即轴比最小值点为7.6GHz，并且3.4GHz至7.6GHz频段上轴比的最大值最小。

在optiSLang的参数敏感度分析中选用AMOP方法，最大采样数量设为500，目标CoP设为0.9。参数敏感度分析结果如下图所示，结果表明轴比最小值的位置和目标频段内轴比的最大值主要由参数Lh和Lv影响，这与设计思路中增加圆极化所需的和分量是吻合的。基于参数敏感度分析，optiSLang推荐的优化算法是EA（Evolutionary Algorithm），优化结果是轴比最小值位于7.6GHz，目标频段内轴比整体下降大约3dB。

2.2 第二阶段

第二阶段涉及的优化参数包括：Wc，Ls1，Ls2，Ws1，Ws2，各参数初始值即为参考文献值。优化目标选取和设置与第一阶段类似，这里不再赘述。优化目标是4GHz至7GHz频段上轴比的最大值最小。

在optiSLang的参数敏感度分析中选用AMOP方法，最大采样数量设为500，目标CoP设为0.9。实际运行过程中采样168个点，已经达到CoP目标，参数敏感度分析完成。参数敏感度分析结果如下图所示，结果表明目标频段内轴比的最大值主要由参数Wc、Ls1和Ws1影响，Ls2和Ws2的影响很小（倒L形状的高阻抗寄生贴片背面拓扑的变化不会显著影响天线的轴比，符合我们通常对感应电场分量的理解）。基于参数敏感度分析，optiSLang推荐的优化算法是NLPQL，即优化目标随各输入变量的变化是近似单调的，优化结果是4GHz至5.2GHz频段轴比变化不大，6GHz至7GHz频段轴比最大值下降大约2dB。

2.3 第三阶段

第三阶段涉及的优化参数包括：Lg1和Lg2，各参数初始值即为参考文献值。优化目标选取和设置与第二阶段类似，这里不再赘述。优化目标是4GHz至7GHz频段上轴比的最大值最小。

在optiSLang的参数敏感度分析中选用AMOP方法，最大采样数量设为500，目标CoP设为0.9。实际运行过程中采样168个点，已经达到CoP目标，参数敏感度分析完成。参数敏感度分析结果如下图所示，结果表明目标频段内轴比的最大值主要由参数Lg1影响（倒L形状的高阻抗寄生贴片与Lg1侧共面地接近，因此其变化会更显著地影响天线的轴比）。基于参数敏感度分析，optiSLang推荐的优化算法是NLPQL，即优化目标随各输入变量的变化是近似单调的，优化结果是目标频段轴比最大值下降大约2dB，目标频段轴比整体处于3dB以下。

3         难点与总结

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