Patch antenna design using HFSS with MATLAB-API
Creators: name: Δαλίδου, Κρυσταλία Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Κεραία
Μικροταινιακή
Βελτιστοποίηση
Antenna
Patch
Optimization

description: Το κύριο θέμα αυτής της εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση μιας μικροταινιακής κεραίας και συγκεκριμένα μιας μικροταινιακής κεραίας σχήματος μισού έψιλον. Ο σχεδιασμός της κεραίας γίνεται με τη χρήση της εργαλειοθήκης HFSS-MATLAB-API μέσω του MATLAB. Στη συνέχεια, ολόκληρη η δομή προσομοιώνεται στο πρόγραμμα Ansoft-HFSS. Επιπλέον, εφαρμόζεται μια νέα τεχνική βελτιστοποίησης στον προτεινόμενο σχεδιασμό, προκειμένου να επιτευχθούν τα επιθυμητά αποτελέσματα. Το σύνολο της εργασίας αναλύεται σε πέντε κεφάλαια τα οποία παρουσιάζονται στις ακόλουθες παραγράφους. Στο πρώτο κεφάλαιο, περιγράφεται μια σημαντική κατηγορία κεραιών, οι μικροταινιακές κεραίες. Μέσα από αυτό το κεφάλαιο συζητείται και αναλύεται η δομή, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτής της κατηγορίας. Επιπλέον, γίνεται μια εισαγωγή και σύντομη ανάλυση των μεθόδων τροφοδοσίας και των μοντέλων ανάλυσης. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά το πρόγραμμα προσομοίωσης HFSS (High Frequency Structural Simulation), το οποίο χρησιμοποιείται για την προτεινόμενη κεραία. Επιπλέον, παρουσιάζεται η επιφάνεια εργασίας του προγράμματος, εκτελούνται και εξηγούνται τα βασικά βήματα για το σχεδιασμό μιας κεραίας. Το τρίτο κεφάλαιο είναι ένα εισαγωγικό κεφάλαιο σχετικά με τις υπάρχουσες τεχνικές βελτιστοποίησης και ιδιαίτερα τις τεχνικές παγκόσμιας βελτιστοποίησης. Το κεφάλαιο τελειώνει εξηγώντας τα βασικά χαρακτηριστικά του αλγορίθμου Διαφορικής Εξέλιξης και τον απόγονο του αλγορίθμου αυτοπροσαρμοζόμενης Διαφορικής Εξέλιξης. Στο κεφάλαιο τέσσερα, η κεραία σχήματος μισού έψιλον σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας το HFSS-MATLAB-API και προσομοιώνεται με το Ansoft-HFSS. Η κεραία δοκιμών μας με τις προτεινόμενες διαστάσεις δεν πληρούσε τους στόχους μας οι οποίοι ήταν ευρυζωνικό εύρος ζώνης και η κατασκευή μιας κεραίας κυκλική πολωμένης. Επομένως, εφαρμόζεται ο αλγόριθμος αυτοπροσαρμοζόμενης Διαφορικής Εξέλιξης για την επίτευξη βέλτιστου εύρους ζώνης και καλού εύρους ζώνης του αξονικού λόγου ταυτόχρονα. Μετά τη βελτιστοποίηση, η προτεινόμενη κεραία αποκτά ένα ευρύτερο εύρος ζώνης και μια καλή αξονική αναλογία. Τέλος, το κεφάλαιο πέντε παρουσιάζει τα συμπεράσματα αυτού της διπλωματικής και προτάσεις για μελλοντικές εργασίες
description: The main subject of this thesis is to design and optimize a microstrip antenna and specifically a half E-shaped patch antenna. The design of the antenna is realized by utilizing the HFSS-MATLAB-API toolbox through MATLAB. Subsequently, the entire structure is simulated in Ansoft-HFSS. Additionally, a new optimization technique is implemented on the proposed design, in order to achieve the desired results. The entire project is analyzed in five chapters which are introduced in the following paragraphs. In the first chapter, an important category of antennas, the microstrip antennas, is performed. Through this chapter, the structure, the advantages and the disadvantages of this category are discussed and analyzed. Furthermore, the feeding methods and the models of analysis are introduced and briefly discussed. The second chapter concerns the simulation program HFSS (High Frequency Structural Simulation), which is used for our testing antenna. Additionally, taking a glance into the interface of the program, the basic steps for designing a patch antenna are performed and explained. Chapter three is an introductory chapter about the existing optimization techniques and especially the global optimization techniques. The chapter ends by explaining the basics characteristics of the Differential Evolution algorithm and its offspring the Self-Adaptive Differential Evolution algorithm. In the chapter four, the half E-shaped patch antenna is designing utilizing the HFSS-MATLAB-API and simulated by Ansoft-HFSS. Our testing antenna with the proposed dimensions did not met our goals for a broadband bandwidth and circular polarized antenna. Therefore, the Self-Adaptive Differential Evolution algorithm is applied for achieving optimum return loss bandwidth and good axial ratio bandwidth simultaneously. After the optimization, the proposed patch antenna obtains a wider bandwidth and a good axial ratio value. Finally, chapter five represents the conclusions from this project and suggestions for future work