[0035] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0036] 如图1～图4所示，本发明提出的基于拓扑优化的K波段超材料覆层微带天线，包括天线基板1、微带贴片2、同轴线馈电探针3、金属接地板4、天线覆层基板5、超材料基元6、支柱7。
[0037] 天线基板1的下表面设置有金属接地板4，上表面中部设置有微带贴片2，微带贴片2上设置有同轴线馈电探针3，天线基板1的上方平行设置有天线覆层基板5，天线基板1与天线覆层基板5之间通过支柱7连接，天线覆层基板5上刻蚀若干个超材料基元6，超材料基元6呈阵列排布结构，并将其覆铜区域离散为一定规模的正方形铜贴片。
[0038] 天线基板1为14*14*1mm的聚乙烯板，绝缘性能好，介电常数较低有利于增大天线带宽。天线基板1的厚度小于五分之一天线工作波长，这里取为1mm。微带贴片2为铜覆层的金属辐射贴片，微带贴片2的长和宽分别为4.029mm和3.4714mm，规格小，易于实现天线的小型化。馈电装置3为同轴线馈电，工作频率为K波段中的24GHz，人工结构的超材料天线覆层具有的电磁超特性能提升天线的指向性，以提高天线增益。同轴馈电装置3位于天线正中心向微带贴片2宽度方向偏移，其偏移距离为1.2523mm。金属接地板5为铜覆层，天线覆层基板5材料为环氧树脂FR4，超材料基元6为0.017mm厚度的基元，厚度薄，规格小，占用空间小，成本低。超材料基元6为0.26*0.26*0.017mm的正方形铜片排列组合而成，并在相邻铜片之间设置0.05mm的冗余重叠区域，正方形铜片的排列组合形式由算法确定。支柱7为聚乙烯材质的圆柱体，设置于天线基板1四角。超材料基元6四个角均为直角，无倒角、圆弧曲面或曲线结构，与无倒角、圆弧曲面或曲线结构的超材料基元6相互组合时，致密性更好。单个超材料基元6的长和宽为2.1mm，并将其离散呈长和宽0.26mm的方格，并且由遗传算法确定方格子的排布。超材料基元6共十六组，按照4*4的阵列刻蚀在天线覆层基板5上，并与天线覆层基板5一起作为超材料天线覆层。可增大天线覆层基板5的面积以布置更多的超材料基元6，这里采用与天线基板相同大小的环氧树脂FR4作为天线覆层基板5，规格小，结构简单，由电路板刻蚀技术实现，成本低。超材料基元6在天线覆层基板5上排布时边缘预留2mm的设计空间，基元横向和纵向排布间隔均为0.467mm。天线覆层基板5为14*14*1mm的为环氧树脂FR4，具有较高的机械性能和介电性能，较好的耐热性和耐潮性并有良好的机械加工性。超材料天线覆层通过支柱7放置于同轴线馈电探针3上方。支柱7为直径1mm长度5.25mm的圆柱体，材料为聚乙烯，绝缘性好，对天线的金属覆层影响小。同轴馈电装置3上端与微带辐射贴片2相连，下端与天线基板1连接的金属接地板4连接。金属接地板4长宽为10*10mm，即在整个基板背面刻蚀铜覆层，覆层材料为铜，厚度为0.35mm。本发明通过采用天线基板1、金属辐射的微带贴片2、同轴馈电装置3、金属接地板4、天线覆层基板5、基元6和支柱7相互结合组成微带天线，通过十六组基元6刻蚀在天线覆层基板5上一起作为超材料天线覆层，并放置于天线上方5.25mm处，整体结构紧凑，占用空间小，天线增益明显，成本低。
[0039] 将超材料基元6分为若干个正方形的网格结构，每一个网格内对应一个设计元素xi，xi＝1时表示网格采用铜贴片材料，xi＝0时表示网格采用空材料，所有设计元素xi的集合X构成拓扑优化的变量；超材料基元6的拓扑构型基于遗传算法的拓扑优化模型计算得到，拓扑优化列式表达为：
[0040]
[0041] 式中，X为设计元素集合，M为超材料基元1离散化的方格子总数，Ae为天线的有效面积，f为超材料微带天线的工作频率，fa为天线的载波频率，C为真空中光速。
[0042] 离散结构的拓扑优化难免会出现棋盘格格式结构，所谓棋盘格格式就是两个铜贴片间通过点接触而非面接触。在有限元计算中电流可在点接触的两个贴片间流通，但在实际的物理模型中不可能发生，并且点接触在电磁器件的制备性无法保证。所以在优化过程中应尽量避免棋盘格式的出现，这里采用冗余设计消除优化中的棋盘格，即在相邻网格间设计一个贴片的重叠区域，即如果网格内需要铜贴片，则使用一个尺寸比划分网格稍大的铜贴片，相邻贴片间存在重叠区域，这样就保证了贴片连接处是面连接而不是点接触，这样可保证贴片连接处的网格划分为面连接，而不是点接触，避免了超材料微带天线拓扑优化过程中可能出现的棋盘格式，保证了天线的可加工性。
[0043] 拓扑优化模型的约束条件包括左右对称条件。以超材料基元离散后的方格子铜贴片为设计变量，以横向为行，纵向位列，超材料基元的方格子从坐上到右下的顺序编号分别为X1……XM其中M为离散方格子铜贴片的总数，若离散规模为10*10，则M为100，若离散规模为12*12，则M为144，若离散规模为14*14，则M为196。令xx(p,q)表示为第p行，第q列的方格子，p、q、n、M均为自然数，其中n为偶数。当超材料离散规模为n*n时，为了使拓扑优化出来的超材料基元具有对称结构，令
[0044] xx(p,n/2+1‑q)＝xx(p,q)
[0045] 其中p<＝n,q<＝n/2
[0046] 本发明以天线增益Gain的最大化为优化目标，以天线的工作频率和求解频率为约束，以离散化方格子铜贴片为设计变量(X)，建立了超材料微带天线的拓扑优化模型。基于遗传算法的求解策略确定方格子的排布情况，超材料微带天线的拓扑优化通过HFSS‑MATLAB‑API编程自动完成建模和仿真，电磁学拓扑优化问题通常具备多峰性的特征，加之这里的设计变量相对较多，必须选择合适的优化算法，作为一种高效、实用、鲁棒性强的优化求解技术，遗传算法在搜索过程中自动获取和积累有关搜索空间的知识，并自适应的控制搜索过程以最大可能求得全局最优解，无需敏度、对目标函数限制少等优势令其在电磁器件设计领域获得广泛应用，故选择基于遗传算法对超材料微带天线进行拓扑优化设计。
[0047] 本发明提出超材料基元离散规模为10*10、12*12、14*14三种情况下，对应0.05mm、0.05mm、0.04mm冗余重叠区域，并对拓扑模型建立过程中对基元施加左右对称条件，通过遗传算法确定方格子铜贴片的排布情况，得到的三种超材料基元新构型，如图5、6、7所示，将他们施加在如图1所示的天线覆层基板上均能明显改善天线增益。
[0048] 超材料基元1可以离散化为不同的格子规模，不同格子规模对于不同数量的优化变量，理论上超材料基元1格子规模越大，超材料基元1的设计空间越大，天线增益越高，但同时计算规模越大，计算时间越长。另外该超材料微带天线不改变传统天线的结构，甚至不改变传统微带天线的大小，且超材料基元1结构简单，只需通过电路板刻蚀技术便可实现。
[0049] 超材料微带天线的工作频率在24GHz附近时，其超材料基元谐振频率也在24GHz附近，电磁超特抑制微带天线表面波。十二组超材料基元1在辐射贴片2周围按一定规律布置而成，对辐射贴片2进行重新排列，超材料的谐振特性发生改变，可与其他工作频率的天线相匹配。该超材料基元1的结构通微带天线的拓扑优化得到，并满足工作频率在车用毫米波雷达的24GHz附近，其谐振频率与天线工作频率一致，天线表面波得到抑制，天线辐射性能得到改善，天线增益有明显提升。超材料基元1可以布置一圈两圈或多圈，单圈布置，规格小，结构简单，由电路板刻蚀技术实现，成本低。
[0050] 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，包括如下步骤：
[0051] 1)设计微带天线结构：设置天线基板1，在天线基板1的下表面设置金属接地板4、上表面中部设置微带贴片2，在微带贴片2上设置同轴线馈电探针3，在天线基板1的上方平行设置天线覆层基板5，天线基板1与天线覆层基板5之间通过支柱7连接，天线覆层基板5上布置若干个超材料基元6；天线覆层基板5设置于天线基板1上方的半波长(5.25mm)的位置处。
[0052] 微带贴片尺寸的设计方法根据下列公式计算：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 其中△L为等效缝隙长度，L为矩形微带贴片长度，W为矩形贴片宽度,εr为介质相对介电常数，f0为天线工作谐振频率，c是真空中光速，h是介质基板的厚度。这里天线基板介电常数为2.25，天线工作频率以K波段中的24GHz取值，基板厚度为1mm,从而计算得到天微带贴片的尺寸为4.029*3.4714mm。
[0058] 2)设计超材料基元6的结构：将超材料基元6分为若干个正方形的网格结构，每一个网格内对应一个设计元素xi，所有设计元素xi的集合X构成超材料基元6的拓扑构型；超材料基元6的拓扑构型基于遗传算法的拓扑优化模型计算得到，拓扑优化的列示表达为为：
[0059]
[0060] 式中，X为设计元素集合，M为超材料基元1离散化的方格子总数，Ae为天线的有效面积，f为超材料微带天线的工作频率，fa为天线的载波频率，C为真空中光速。
[0061] 拓扑优化模型的约束条件包括左右对称条件和网格间冗余设计条件。
[0062] 3)选用遗传算法对拓扑优化模型求解：获得一个初始种群，通过MATLAB对种群内个体进行参数化建模，并生成VB文件导入到高频电磁场仿真软件HFSS中对超材料天线模型进行仿真，仿真结束后提取超材料微带天线的远场增益数据，对增益数据处理得到目标函数值，然后根据设计准则判读目标函数值的收敛性，如果收敛则求解结束，反之由遗传算法生成下一代种群，并重复上述过程直到求解结束；
[0063] 4)根据拓扑优化模型求解结果确定超材料基元6结构，对于每一个设计元素xi，xi＝1时表示网格采用铜贴片材料，xi＝0时表示网格采用空材料即不放置正方形铜贴片。超材料基元离散规模为10*10、12*12、14*14时，每一个铜贴片分别设计0.05mm、0.05mm、0.04mm的冗余重叠区域。
[0064] 对超材料基元6的铜贴片方格子进行重新排列，超材料的谐振特性发生改变，可与其他工作频率的天线相匹配。
[0065] 最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。
