CST 软件优化超表面 --- 偏振片 - 线圆极化转换，天线阵任务，远场算轴比 AR

本期我们继续看线极化转圆极化。本案例是个三层结构，比单层的偏振片有更宽的频率和更少的反射。我们将利用 CST 的天线阵列任务中的单元任务，加上优化器优化，使偏振片在多个入射角、多个频率，S11 反射都够小，AR 都够圆。

具体优化目标是在 6-10GHz， 多个角度，满足：

S11<-10dB 和 AR<3dB

模型参数化如图，这里我们固定介质材料，只优化尺寸：

隐藏掉基板介质是这样的：

由于网格随尺寸变化，为了确保优化结果有效，需要很好的加密网格。首先是全局加密：

然后对金属微带线本地加密，比如用 meshstep 等于线宽除以 3，这样保证随时都有三个网格；或者用边缘加密比 0.2，这样边缘 20%都有网格等等方法。这里我们用 linewidth/3。

重点是介绍天线阵列任务和优化器。在电路原理图中，使用 Array task，然后 unit cell 仿真，频域求解器。因为我们只需要单元仿真，所以阵列的单元个数无所谓。

然后设置扫描角度，这里为了方便就扫四个角度：

Theta=0,Phi=0 （垂直入射）

Theta=45,Phi=0，45，90

远场观察 6-10GHz 五个频点，然后进入单元子任务，进入参数扫描，调整（添加）扫描角（系统参数），确保包括了刚才我们要扫的四个角：

边界为 unit cell，Z 方向各加 25mm 背景，然后 Floquet 端口要确保是 45 度极化，并且与扫描角无关，这样才能使偏振片工作，我们还能看不同角度的入射。

频域求解器，从 Zmin 激励，已有本地加密，为了加速，我们不用自适应

网格（也可使用）。

更新天线阵任务开始仿真：

仿真结束查看结果：

反射 S11 是二维平面，远场是四个扫描点：

下面我们后处理一下这些结果，然后使用优化器。

远场提取 Theta=45 度的轴比（三个角度的最大值）：

远场提取 Theta=0 度的轴比：

根据帮助，远场轴比公式:

再提取所有频点 S11 二维图的最大值：

作为起始结果，我们将轴比和反射放在一起观察，可见目前 S11 都还满足要求，垂直入射的轴比都不错，唯一有问题的是 45 度角有的方向轴比较差。

天线阵列任务中添加优化任务：

将单元任务拖拽进优化任务中，并将单元任务的参数与主项目的参数联系起来，这样我们用优化器才能控制子任务的参数。当然局限就是主项目的参数也随之改变，那么为什么不在主项目中直接优化参数呢？因为我们想利用天线阵列任务的扫描角功能。

优化器设置，这里我们就用 CMA Evolution 算法，比较大的范围内自动优化全部参数：

目标添加之前三个后处理的结果，AR<3dB，S11<-10dB：

属性中限制计算次数，适当提高 sigma 避免局部极值：

开始优化。结束后查看结果：

S11 仍表现良好：

垂直入射仍满足圆极化：

45 度入射的 AR 虽没能满足 3dB，但显著改善：

优化前后：

小结：

1.      本案例旨在介绍天线阵列任务和优化器，可利用其扫描角功能优化一些单元结构，比如超表面。本文最后结果没有完全达到优化目标，并不表示该设计不可达到。

2.      本案例网格设置只是一组设置方法的介绍，并没有最优化。

3.      本案例是离散的频率，只是展示优化流程和远场如何获取轴比 AR。宽频的 AR 也可从 S 参数获得，以后再介绍。

4.     CST 自带若干优化算法，若需更先进的优化器或 DOE 分析，请了解 SIMULIA 的 Isight 软件或达索平台的 Process Composser。以后有机会再介绍本案例在达索平台上优化。 

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