[0033] 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。
[0034] 如图1～图5所示，本发明提出的基于冗余设计的K波段超材料微带天线，包括超材料基元1、辐射贴片2、金属接地板3、介质基板4，同轴线馈电探针5。金属接地板3上方设置有介质基板4，金属接地板3的尺寸为10*10mm，覆层厚度为0.035mm,覆层材料为铜。介质基板4的厚度小于五分之一天线工作波长，长和宽为10mm，这里取厚度为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度。介质基板4的表面中部设置有辐射贴片2，辐射贴片2的尺寸为4.029*3.4714*0.017mm，辐射贴片2中部设置有同轴线馈电探针5，采用50欧姆标准同轴线馈电的同轴线馈电探针5的一端与辐射贴片2连接，另一端与金属接地板3连接。同轴线馈电探针5位于天线正中心并向辐射贴片2宽度方向偏移，其偏移距离为1.2523mm。长宽分别为4.029mm和3.4714mm的微带贴片3，规格小，占用空间小。辐射贴片2的四周环绕设置超材料基元1，超材料基元1沿辐射贴片2外围成圈状刻蚀于介质基板4上。超材料基元1与辐射贴片2之间设有空隙，超材料基元1在介质基板4水平和垂直方向边缘预留间隙为0.02mm，超材料基元1水平和垂直方向布设的间隙为0.433mm和0.367mm，分布均匀，各超材料基元1与微带贴片2之间互不干涉。超材料基元1四角均为直角，无倒角、圆弧曲面或曲线结构，结构简单，多个无倒角、圆弧曲面或曲线结构的离散方格子铜贴片相互组合时，致密性更好，占用空间小，天线增益提升明显，加工工艺性好，成本低。每个超材料基元1由若干个边长相等规格同一的铜贴片组合而成，相邻的铜贴片之间相互重叠。
[0035] 超材料微带天线的超材料基元1微结构构型设计方法是基于遗传算法的拓扑模型，超材料基元1的总体尺寸为0.21*0.21mm,厚度为0.017mm，材料为铜，被离散成一定规模的的方格子铜贴片。每一个超材料基元1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构成超材料基元1的拓扑构型。所有设计元素的不同取值对应这不同的超材料构型，可得到不同性能的超材料微带天线。
[0036] 超材料基元1的拓扑构型基于遗传算法的拓扑优化模型计算得到，所述拓扑优化模型为：
[0037]
[0038] 式中，X为设计元素集合，M为超材料基元1的网格个数，Ae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，fa为天线的载波频率，设计中的约束为天线的求解频率和工作频率f＝24GHz，C为真空中光速，xi＝1时铜贴片材料的面积大于网格面积。
[0039] 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。
[0040] 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。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[0041] xx(p,n/2+1‑q)＝xx(p,q)
[0042] 其中p<＝n,q<＝n/2
[0043] 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。
[0044] 本发明提出格子规模为10*10，方格子冗余量0.05mm和格子规模12*12，冗余量0.04mm两种情况下进行优化求解，施加对称约束后分别对应50、72个设计变量，如图3、图4所示，通过拓扑优化得到的两种超材料基元1新构型，将他们施加在如图1所示的微带天线天线基板4上均能明显改善天线增益。
[0045] 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。
[0046] 所设计微带天线工作频率在24GHz附近，其超材料谐振频率也在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，对超材料基元1内的铜贴片进行重新排列，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。
[0047] 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：
[0048] 1)设计微带天线结构：设置天线基板4，在天线基板4的下表面设置金属接地板3，上表面中部设置辐射贴片2，在辐射贴片2中部设置同轴线馈电探针5，同轴线馈电探针5的一端与辐射贴片2连接，另一端与金属接地板3连接，所述辐射贴片2的四周环绕设置超材料基元1；
[0049] 2)设计超材料基元1网格结构：将超材料基元1分为若干个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xi，所有设计元素xi的集合X构成超材料基元1的拓扑构型；所述超材料基元1的拓扑构型基于遗传算法的拓扑优化模型计算得到，所述拓扑优化模型为：
[0050]
[0051] 式中，f为超材料微带天线的工作频率，fa为天线的载波频率，设计中的约束为天线的求解频率和工作频率f＝24GHz，C为真空中光速，C为真空中光速，xi＝1时表示网格采用铜贴片材料，且铜贴片材料的长度方向与宽度方向均大于网格0.01～0.1mm。
[0052] 拓扑优化模型的约束条件包括左右对称条件。当超材料离散规模为n*n时,其中n为偶数，为了使拓扑优化出来的超材料基元具有对称结构，令
[0053] xx(p,n/2+1‑q)＝xx(p,q)
[0054] 其中p<＝n,q<＝n/2
[0055] 3)选用遗传算法对拓扑优化模型求解：如图5所示，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；
[0056] 4)根据拓扑优化模型求解结果确定超材料基元1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，且铜贴片材料的面积大于网格面积，xi＝0时表示网格采用空材料。
[0057] 对超材料基元1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。
[0058] 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。
