【無線射頻仿真】-基于特征模理論的系統(tǒng)天線設計方法

1/1基于特征模理論的系統(tǒng)天線設計方法一、概述

不斷提高通信系統(tǒng)的通信容量和質量，是無線通信的永恒主題。隨著無線通信技術的快速進展，人們對天線的設計提出了越來越多的要求。采納超寬帶（UWB）技術和多輸入多輸出（MIMO）技術在提高數(shù)據(jù)傳輸率方面具有極大的潛力，MIMO技術能夠提高通信系統(tǒng)的信噪比，提高信道容量及抑制信道衰落，對于移動設備來說，需要多單元集成在一起，以減小整個天線的尺寸，就要求MIMO多天線單元之間的互耦較低，以此來實現(xiàn)各路信號之間的低相關性。采納基于矩量法的特征模技術是一種最佳的選擇。

特征模分析方法是近年來興起的一種分析方法，它是應用較為廣泛的矩量法結合解析本征模理論求解電磁問題的一類新方法。它為天線設計者供應了一種最佳的天線設計手段，有助于天線設計師了解天線的工作機理。利用分析得到的不同模式信息，把握其諧振特性以及不同模式的輻射特性等，借助于不同模式特征電流的分布來選擇最佳的饋電位置以激發(fā)出需要的模式，也有助于指導設計師對天線進行開槽來微調其諧振位置[1]。本文采納FEKOV14版本[2]的特征模分析工具仿真了幾種常用天線形式的特征模參數(shù)。模式方法為任意簡單外形的電磁問題定義了一系列與解析法類似的本征模式，這些模式可描述電磁問題的本征特性，且模式之間具有正交特性，本征值的大小直接打算了該模式對電磁問題參量的貢獻大小。它使得矩量法有了更為清楚的物理景象，天線設計者可以利用模式分析供應的信息，更深化地理解天線的工作原理，設計出性能最優(yōu)的天線，甚至設計新的天線形式[3]。

二、原理

特征模理論最初由Garbacz在1968年他的博士論文[4]中提出，1971年由Harrington和Mautz通過對角化導體的廣義阻抗矩陣，得到了與Garbacz定義的相同模式[5]-[6]，在[5]中描述的被稱為特征模式理論的公式相對于由Garbacz在[4]提出的更易于推導，并對任意外形的結構體進行了驗證是特別有效的。后來Harrington等人對特征模理論進行了擴展，可以處理電解質、磁介質以及電/磁性混合體等[7]。特征模理論自提出以來,在計算電磁學和天線設計等領域受到廣泛關注。

特征模理論為任意外形的導體定義了一系列相互正交的特征模式,而這些相互正交的特征模式是導體的固有屬性,本身具有收斂性和完備性，可以精確的表示電磁問題的解。特征模理論物理概念清楚,可以明確給出電磁結構體的工作機理,同時特征模式僅與電磁結構體的外形,尺寸和工作頻率有關,與源點無關,因此便于指導工程設計。

特征模理論是建立在矩量法（MoM）基礎之上的，其本征方程為：

(2.5-3)

這里，特征電流進行了歸一化，即〈Jn,RJn〉=1。表示輻射功率為1。由于Pmn=〈Jm,ZJn〉，因此在輻射功率為1的狀況下，儲能只與n有關，n的正負號確定儲能的類型：當n越接近0，表示該模式在此頻率下越接近諧振；n＞0表示該模式在此頻率下儲存磁能；n＜0表示該模式在此頻率下儲存電能。

由于n的值變化范圍很大，不便于觀看，工程上也采納ModalSignificance(MS)和特征角Characteristic