基于拓撲優(yōu)化方法的V2V通信高指向性天線設計

目前，車對車（V2V）通信和車對基礎設施（V2I）通信廣泛應用到汽車上，用來實現(xiàn)信息通信和數(shù)據(jù)傳輸。在實現(xiàn)信息或數(shù)據(jù)的無線傳輸時，需要借助車載天線。傳統(tǒng)的車載天線為貼片天線，該類型的天線采用低剖面設計，具有低成本和易于制造的優(yōu)點，但其存在著指向性較低的缺點。隨著對V2V通信和V2I通信需求的提高，由于較低的指向性不能保證信息或數(shù)據(jù)在不同傳輸通道下的連通性，且傳輸距離較短，因而需要對傳統(tǒng)貼片天線進行優(yōu)化設計，以提高其指向性。

對傳統(tǒng)貼片天線的優(yōu)化設計主要借助拓撲優(yōu)化的方法進行。拓撲優(yōu)化方法能夠對貼片天線表面進行材料分布優(yōu)化，進而可實現(xiàn)貼片天線指向性的提高。優(yōu)化時，首先基于一塊尺寸為3.39cm× 3.39cm、厚度1.34mm的貼片天線，在商業(yè)化軟件FEKO 14.0中建立該貼片天線的分析模型；之后在進行拓撲優(yōu)化時，將貼片天線平面劃分為12×12塊小區(qū)域，每個小區(qū)域分別賦值0或1，0表示其所在的小區(qū)域需要剔除，1則表示其所在的小區(qū)域繼續(xù)保留。優(yōu)化前，所有小區(qū)域均賦值1，采用貼片天線的功率增益表征貼片天線的指向性，即設定拓撲優(yōu)化函數(shù)為貼片天線的功率增益。采用全局響應面法（GRSM），并利用FEKO 14.0集成的矩量法（MOM）對優(yōu)化問題進行求解。根據(jù)求解結果可以確定出貼片天線表面需要剔除的區(qū)域，即開設孔洞的區(qū)域。同理，在FEKO 14.0中對拓撲優(yōu)化后貼片天線的功率增益進行仿真計算。仿真計算結果表明，拓撲優(yōu)化后，貼片天線的功率增益為10.4dBi，比拓撲優(yōu)化前增加了3dBi。

Aseim Elfrgani et al.SAE 2017-01-1691.

編譯：王淼