《Scientific African》：Compact Dual-Band Microstrip Patch Antennas Optimized by Genetic Algorithms: A Low-Cost Solution for 5G and V2X Connectivity
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下一代5G与智能交通系统要求紧凑、低成本的能够在sub-6 GHz范围内实现双频工作且不会牺牲带宽或辐射性能的天线。本文介绍了两种由应用于地平面拓扑的二进制遗传算法优化的超紧凑双频微带天线。所解决的问题是如何在单层FR-4基板上实现双频覆盖和足够的阻抗带宽，同
下一代5G与智能交通系统要求紧凑、低成本的能够在sub-6 GHz范围内实现双频工作且不会牺牲带宽或辐射性能的天线。本文介绍了两种由应用于地平面拓扑的二进制遗传算法优化的超紧凑双频微带天线。所解决的问题是如何在单层FR-4基板上实现双频覆盖和足够的阻抗带宽，同时将尺寸保持在接近0.175λ? × 0.175λ?。在所提出的方法中，地平面被离散化为二进制单元，并且与HFSS求解器耦合的遗传算法使用基于电压驻波比（VSWR）的适应度函数在缝隙图案上进行搜索。制作并测量了两个15 × 15 mm2（在3.50 GHz时为0.175λ? × 0.175λ?）的原型。天线I覆盖3.14–4.01 GHz和5.55–6.08 GHz，适用于LTE频段42/43、WiMAX、5G n78和专用短程通信（DSRC）；而天线II工作在4.46–4.98 GHz和5.71–6.14 GHz，覆盖5G n79和DSRC。仿真和测量的S??和VSWR显示出良好的一致性，-10 dB带宽达数百兆赫兹，并且具有稳定的辐射方向图和约2–3 dBi量级的实现增益。这些结果表明，遗传算法驱动的地平面拓扑优化为用于低成本5G和V2X终端的小型化双频天线提供了一条实用且易于制造的途径。
研究背景与意义
随着第五代移动通信技术（5G）及未来第六代移动通信技术（6G）的快速发展，射频前端系统对高性能天线的需求日益迫切。先进无线通信系统不仅要求天线具备极高的小型化程度，还需在效率、增益及阻抗带宽等关键指标上保持卓越表现，同时兼顾成本效益以适应大规模生产的需求。微带贴片天线因其低剖面、低成本及易于集成到紧凑平台等优势，成为先进无线设备的有力候选方案。然而，传统贴片设计往往面临阻抗带宽窄、增益有限及方向性不足等挑战。此外，标准贴片的谐振长度通常约为半波长，在不严重降低性能的前提下实现显著小型化极具难度。因此，如何设计出兼具紧凑尺寸、高效率、宽带及多频段特性且成本低廉的sub-6 GHz天线，成为5G系统发展面临的核心挑战。
针对上述问题，Omar Ourahou、Layla Wakrim、Saida Ibnyaich、Hassan Belahrach及Abdelilah Ghammaz等研究人员提出了一种创新性的解决方案。他们摒弃了传统的依赖设计者直觉和有限参数扫描的设计方法，转而采用二进制遗传算法（GA）对地平面拓扑进行全局优化。该研究成功设计并实验验证了两款超紧凑双频微带天线原型，这两款天线均基于单层FR-4基板，尺寸仅为15 × 15 × 1.6 mm3。研究成果表明，通过遗传算法驱动的地平面拓扑优化，能够以较低的成本和易于制造的方式，实现满足5G sub-6 GHz及车联网（V2X）通信需求的微型化双频天线。该论文发表于《Scientific African》期刊。
主要关键技术方法
研究人员采用了一种基于二进制遗传算法（Binary Genetic Algorithm）与全波电磁仿真软件HFSS协同工作的自动化优化流程。首先，将天线地平面离散化为13 × 15（共195个）边长为1 mm的正方形网格单元，每个单元的状态（刻蚀与否）由二进制染色体控制。其次，通过MATLAB编写脚本并利用VBScript接口调用HFSS，实现了天线模型的自动更新、仿真计算及结果反馈。目标函数定义为特定目标频段内反射系数（S??）的平均值，遗传算法通过锦标赛选择、单点交叉（概率0.8）和单比特变异（概率0.01）等操作，在庞大的解空间中搜寻最优的地平面开槽图案，从而恢复因尺寸缩减而恶化的匹配性能并激发双频响应。
研究结果
天线设计与初始模型
研究人员首先依据理论公式计算了工作在3.5 GHz的传统矩形微带天线初始尺寸（36 × 36 × 1.6 mm3）。随后，将天线尺寸强行缩减至15 × 15 × 1.6 mm3，仿真结果显示其反射系数（S??）恶化至-5 dB以上，且在3至6.5 GHz范围内无明显的谐振点。这证实了单纯几何尺寸缩小会导致有效孔径减小和电流路径改变，进而引起电抗加载增加和谐振模式失谐，无法满足目标频段的工作要求。
遗传算法优化过程
为解决小型化后的匹配问题，研究人员应用上述二进制遗传算法对地平面拓扑进行优化。对于面向5G NR n47和n78频段的天线I，算法经过11代迭代后收敛；对于面向n47和n79频段的天线II，则在24代迭代后达到稳定。优化后的地平面呈现出不规则的矩形开槽分布，这些特定的开槽结构有效改善了基板上的电流分布与耦合机制，从而在保持紧凑尺寸的同时实现了双频带内的良好阻抗匹配。
天线I配置与性能
优化后的天线I在仿真中于3.49 GHz和5.88 GHz处形成两个清晰的谐振点，最小S??分别达到-20.59 dB和-23.67 dB，对应的-10 dB带宽分别为130 MHz和340 MHz。实测结果进一步验证了该设计的有效性，实测-10 dB带宽大幅扩展至870 MHz（3.14–4.01 GHz）和530 MHz（5.55–6.08 GHz），覆盖了WiMAX、LTE 42/43、5G n48/n78以及DSRC（IEEE 802.11p）等多个商业频段。在3.5 GHz和5.9 GHz频点测得的电压驻波比（VSWR）分别为1.11和1.13，接近理想匹配状态。
天线II配置与性能
天线II的仿真结果显示其在4.71 GHz和5.94 GHz处谐振，最小S??分别为-26.44 dB和-44.40 dB，-10 dB带宽为340 MHz和290 MHz。实测结果同样表现出色，测得的两个频段为4.46–4.98 GHz（520 MHz）和5.71–6.14 GHz（430 MHz），完美覆盖5G n79、n47及DSRC频段。其在4.78 GHz和5.90 GHz的VSWR值为1.24和1.18，均远低于2.0的通用标准，证明了高效的功率传输能力。
辐射特性分析
研究人员对两款天线的辐射特性进行了详细仿真。天线I在两个工作频段均表现出近似全向的辐射方向图，表面电流分布显示低频段（3.5 GHz）电流集中于馈电区及开槽中心，高频段（5.9 GHz）则分布于外缘开槽，峰值增益分别为1.7 dBi和2.83 dBi，辐射效率超过84%。天线II在低频段（4.71 GHz）呈现准全向辐射，而在高频段（5.94 GHz）方向性增强，形成明确的主瓣，峰值增益达2.93 dBi，辐射效率在82%以上。这种从全向到定向的转变验证了优化设计对不同频段操作的适应能力。
研究结论
综上所述，Omar Ourahou等人成功设计并实验验证了两款超紧凑的双频微带天线。这两款原型机均基于单层FR-4基板，尺寸仅为15 × 15 × 1.6 mm3，通过应用二进制遗传算法对地平面拓扑进行优化而获得。测量结果与仿真数据高度吻合，所有谐振点处的电压驻波比（VSWR）均接近1，仅有微小的频率偏移，这可归因于加工公差和连接器效应的影响。尽管其物理尺寸小于波长（在最低谐振频率下每边约为0.175λ?至0.235λ?），但这两种天线仍能为多个标准化的中频频段5G及智能交通系统服务提供实用的双频覆盖。天线I工作在3.5 GHz和5.8 GHz附近，适用于LTE/WiMAX以及5G n78/n47和DSRC/IEEE 802.11p；天线II提供4.8 GHz和5.9 GHz附近的双频操作，支持5G n79、5G n47和DSRC。在这两种情况下，均实现了数百兆赫兹量级的-10 dB阻抗带宽，同时保持了稳定的增益和辐射特性。与近期的sub-6 GHz设计相比，研究结果证实，若采用离散的GA-HFSS（MATLAB/VBS）工作流程对地平面拓扑进行协同优化，极小尺寸的单层FR-4天线仍能提供具有竞争力的带宽和匹配性能。因此，该方法为获取高性能小型化双频天线提供了一种易于制造的途径，且不会牺牲其性能。此外，由于其紧凑的尺寸和良好的辐射特性，这些天线有望集成到面向5G n79频段的2 × 2或4 × 4多输入多输出（MIMO）架构中，此类多元件MIMO结构的设计与优化将成为未来的研究工作。
