基于遗传算法优化的Wi-Fi 6E新型像素天线设计与性能研究

为解决Wi-Fi 6E频段天线设计中的宽带化与小型化难题，研究人员通过遗传算法（GA）优化设计了一款新型像素贴片天线。该天线采用FR4基板（εr=4.4），体积仅25×25×1.6 mm3，实测阻抗带宽达5.75–8.46 GHz（38.1%），峰值增益4.5 dBi，辐射效率67%。研究为高集成度无线设备提供了高性能天线解决方案。

　　

随着无线设备数量激增，传统2.4 GHz和5 GHz频段已面临拥塞问题。Wi-Fi 6E新增的6 GHz频谱（5.925–7.125 GHz）虽能缓解压力，但其大带宽特性对天线设计提出严峻挑战：既要覆盖5.15–7.125 GHz的宽频带，又需满足终端设备小型化需求。现有文献报道的Wi-Fi 6E天线多为多层或多端口结构，工艺复杂且成本较高。如何通过单层结构实现宽带性能，成为学术界与产业界共同关注的焦点。

为突破这一技术瓶颈，研究人员在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表论文，提出一种基于遗传算法（Genetic Algorithm, GA）优化的像素化贴片天线。该研究通过将传统贴片天线辐射单元分割为110个2×2 mm²的像素单元，利用GA算法动态优化像素分布，最终实现38.1%的分数带宽（5.75–8.46 GHz），较初始设计带宽提升近9倍。关键技术包括：1）采用二进制编码的遗传算法进行像素单元拓扑优化；2）基于Ansys-HFSS和MATLAB的协同仿真平台；3）特征模分析（Theory of Characteristic Modes, TCM）揭示多模谐振机制；4）等效电路模型验证电磁特性。

4.1 S参数分析
实测结果显示，天线在5.75–8.46 GHz频段内回波损耗（S₁₁）均低于-10 dB，输入阻抗实部（26–85 Ω）与虚部（-44–28 Ω）变化平缓，表明良好的阻抗匹配特性。

4.2 表面电流分布
6 GHz频段电流均匀分布，7 GHz时向馈电点集中，7.5 GHz则主要分布于右侧，多模态电流路径共同拓展了带宽。

4.3 辐射特性
天线呈现准全向辐射模式，E面方向图稳定。增益从6 GHz的1.5 dBi递增至8 GHz的4.5 dBi，效率峰值达67%。馈电点偏移分析表明，X轴位置变化可调节特定频段增益。

4.4 特征模分析
通过FEKO软件解析发现，Mode 1（5.5–6.5 GHz）和Mode 3（6.5–8.5 GHz）的模态显著性（MS>0.707）主导宽带特性，四组RLC并联电路等效模型与电磁仿真结果高度吻合。

4.5 对比研究
与同类工作相比，该单层天线尺寸较文献[63]缩小50%，虽增益低于多层结构（如文献[64]的11.63 dBi），但其简单结构和FR4基板兼容性更利于低成本量产。

研究结论指出，通过遗传算法实现的像素化拓扑优化，成功将传统贴片天线带宽从4.27%提升至38.1%，完整覆盖Wi-Fi 6E频段。特征模分析证实，多模谐振与电流路径分集是宽带化的物理基础。该设计为智能终端、物联网设备提供了高性价比天线方案，其方法论还可拓展至毫米波（mm-wave）天线设计领域。未来通过改用低损耗介质材料（如Rogers系列），有望进一步改善辐射效率与增益性能。