基于特征模理论和CMA技术的天线设计
特征模在超宽带和多输入多输出天线设计中的应用
特征模在超宽带和多输入多输出天线设计中的应用王辉;杨雪松【摘要】By analyzing the eigenvalues of antenna,the eigenmode theory decomposes the surface current of antenna into a series of orthotropic eigencurrents,and further provides the eigenpattern.Thus,this theory can provide physical insights into the radiation mechanism of antennas and guidance to the antenna design.In this paper,a review of eigenmode theory is described.Then,a detail introduction to the application of eigenmode theory in the analysis and design of ultra-wideband(UWB) antennas and multi-input multi-output(MIMO) antennas is provided.The future of this method in the analysis and design of antennas is indicated.%特征模理论通过分析天线的特征值,把表面电流分解成相应的特征电流,并可进一步得到天线的特征方向图。
它可以从物理本质上研究天线的辐射机理,从而有效指导天线设计。
在简要介绍了特征模理论之后,详细说明了它在超宽带天线和多输入多输出天线的分析设计方面的应用,并指出了它的应用前景。
【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2012(007)005【总页数】6页(P477-482)【关键词】特征模理论;超宽带天线;MIMO天线;多天线【作者】王辉;杨雪松【作者单位】电子科技大学应用物理研究所,成都610054;电子科技大学应用物理研究所,成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN8200 引言不断提高通信系统的通信容量和质量，是无线通信的永恒主题。
双频段体表／体外双模式可穿戴天线设计
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１０６．２０２４．０５．０２２引用格式：沈飘飘，刘巾军，肖如奇，等．双频段体表／体外双模式可穿戴天线设计［Ｊ］．无线电工程，２０２４，５４（５）：１２５５－１２６０．［ＳＨＥＮＰｉａｏｐｉａｏ，ＬＩＵＪｉｎｊｕｎ，ＸＩＡＯＲｕｑｉ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｕａｌ ｂａｎｄＤｕａｌ ｍｏｄｅＷｅａｒａｂｌｅＡｎｔｅｎｎａｆｏｒＯｎ ／Ｏｆｆ ｂｏｄｙＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２４，５４（５）：１２５５－１２６０．］双频段体表／体外双模式可穿戴天线设计沈飘飘１，刘巾军２，肖如奇１，杨 国１，齐世山１（１．南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京２１００９４；２．陆军装备部驻南京地区第四军事代表室，江苏南京２１０００７）摘 要：基于特征模理论分析方法，设计了一款２．４５、５．８ＧＨｚ频段的体表／体外双模式可穿戴天线。
在三角形的辐射贴片和接地面之间加载一段微带线，在２．４５ＧＨｚ引入一个具有全向辐射特性的新模式，加上三角形贴片本身在５．８ＧＨｚ具有的定向辐射特性，组成了一个双频段双模式可穿戴天线。
天线的仿真结果表明，在低频处实现全向辐射特性，阻抗带宽为１．６％（２．４５～２．４９ＧＨｚ），可用于体表通信模式；在高频处具有定向辐射特性，阻抗带宽为４．３％（５．６７～５．９２ＧＨｚ），可用于体外通信模式。
关键词：可穿戴天线；特征模分析；体表通信；体外通信中图分类号：ＴＮ８２文献标志码：Ａ开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１０６（２０２４）０５－１２５５－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｕａｌ ｂａｎｄＤｕａｌ ｍｏｄｅＷｅａｒａｂｌｅＡｎｔｅｎｎａｆｏｒＯｎ ／Ｏｆｆ ｂｏｄｙＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳＨＥＮＰｉａｏｐｉａｏ１，ＬＩＵＪｉｎｊｕｎ２，ＸＩＡＯＲｕｑｉ１，ＹＡＮＧＧｕｏ１，ＱＩＳｈｉｓｈａｎ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｈｅＦｏｕｒｔｈＭｉｌｉｔａｒｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅｏｆＰＬＡＡｒｍｙＥｑｕｉｐｍｅｎｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｉｎＮａｎｊｉｎｇＲｅｇｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｍｏｄｅ，ａｄｕａｌ ｍｏｄｅｗｅａｒａｂｌｅａｎｔｅｎｎａｆｏｒｏｎ ｂｏｄｙａｎｄｏｆｆ ｂｏｄｙｏｐｅｒａｔｉｏｎａｔ２．４５，５．８ＧＨｚｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｄｕａｌ ｂａｎｄｄｕａｌ ｍｏｄｅｗｅａｒａｂｌｅａｎｔｅｎｎａｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇａｎｅｗｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｍｏｄｅａｔ２．４５ＧＨｚ，ａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｌｏａｄｉｎｇａｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｌｉｎｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｒｉａｎｇｕｌａｒｒａｄｉａｔｉｎｇｐａｔｃｈａｎｄｔｈｅｇｒｏｕｎｄｐｌａｎｅ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｏｆｔｈｅｔｒｉａｎｇｕｌａｒｐａｔｃｈｉｔｓｅｌｆａｔ５．８ＧＨｚ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｎｔｅｎｎａｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｒａｄｉａｔｉｏｎａｔｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗｉｔｈａｎｉｍｐｅｄａｎｃｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ１．６％（２．４５～２．４９ＧＨｚ），ｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｏｎ ｂｏｄｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｒａｄｉａｔｉｏｎａｔｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗｉｔｈａｎｉｍｐｅｄａｎｃｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ４．３％（５．６７～５．９２ＧＨｚ），ｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｏｆｆ ｂｏｄｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅａｒａｂｌｅａｎｔｅｎｎａ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｍｏｄｅａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｎ ｂｏｄｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｏｆｆ ｂｏｄｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ收稿日期：２０２３－０８－２８基金项目：国家自然科学基金（６２２７１２５７）ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（６２２７１２５７）０ 引言随着无线体域网的快速发展，对可穿戴天线结构和性能的要求越来越高，如何有效地实现体表通信［１］和体外通信［２］间信息的无缝传输至关重要，因此体表／体外双模式天线成为近年的研究热点。
特征模法分析不同形状的贴片天线
特征模法分析不同形状的贴片天线赵俊峰【摘要】In this paper the theory of Characteristic Modes is introduced. The modes currents are orthogonal. They provide a physical interpretation of the radiation phenomena taking place on the antenna. This paper illustrates the Characteristic current distribution of different shape patch antennas to find a general rule.% 文章简单介绍了特征模式方法，该方法为任意形状的电磁物体定义了一系列正交的特征电流。
这些特征电流是该电磁物体本身的固有属性，因此可以从本质上解释其辐射特性。
文章利用特征模式方法提取不同形式贴片天线的主要特征电流，通过对比研究得到不同形状贴片天线上特征电流的一般性规律。
【期刊名称】《大众科技》【年(卷),期】2012(000)008【总页数】3页(P4-5,3)【关键词】特征模方法;贴片天线;特征电流【作者】赵俊峰【作者单位】电子科技大学物理电子学院,四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TN823随着通信技术的迅速发展，人们对天线的设计提出越来越多的要求。
其中微带天线由于具备各种优点而受到了人们越来越多的关注[1-2]。
但现在微带天线形式越来越多，越来越复杂，利用传统的谐振腔模型法来已经越来越困难，因此利用数值方法分析微带天线已成为必然。
但是，利用数值方法分析微带天线，缺乏一个清晰的物理解释，不能给出明确的工作机理和设计指导。
特征模法是结合解析本征模理论和数值矩量法两者的优点提出的一种方法。
可以概念清晰和精确的获得电磁问题的解。
基于特征模理论的天线设计与研究
基于特征模理论的天线设计与研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于特征模式的超宽带陷波天线设计
基于特征模式的超宽带陷波天线设计Eigen Mode Analysis in Design of Band-notchedUWB Antenna查华侯建强(西安电子科技大学微波研究所、西安、710071)摘要: 本文利用FEKO软件设计了一款工作在0.2GHz到3GHz的带有双窄带抑制功能的超宽带陷波天线，并从特征模式对天线的陷波特性进行了分析。
首先使用FEKO软件建立了单极子天线模型，对其进行特征模式分析。
然后通过加载枝节引入陷波结构，利用特征模理论解释了其阻带抑制特性。
最后基于本文研究，设计了一款工作在0.2GHz到3GHz超宽带双陷波天线，该天线采用印刷单极子形式，通过在辐射贴片上开槽以及在馈线处加载枝节，从而在特定的频率（900MHz和1575MHz）内实现窄带抑制特性。
仿真结果表明，除了特定阻带频率，天线在整个工作频带范围内驻波都小于2。
仿真结果与表明了该天线良好的应用前景。
关键词:FEKO 超宽带特征模式陷波Abstract: In this paper, a dual-notched antenna worked in 0.2GHz to 3GHz is designed by FEKO software, the notch characteristics of the antenna are analyzed by eigen mode theory. Firstly, a monopole antenna model is established by using FEKO software, and the eigen mode of the model are analyzed. Then through side loading to obtain band-notched characteristic, and using the characteristic mode theory, the characteristics of the inhibition of the stop band are explained. Finally, based on this research, an UWB dual band-notched antenna work in 0.2GHz to 3GHz is designed. The antenna is formed of printed monopole, by means of slot embedding and side loading to achieve narrow band suppression in specific frequency (1575MHz and 900MHz).The simulation results show that, in addition to the specific frequency band, the antenna VSWR is less than 2 in the whole working band. The simulation results show that the antenna has good application prospect.Key words: FEKO，UWB，eigen mode，band-notched1 引言超宽带技术由于具有抗干扰性强，数据传输速率高，功耗低，发射功率低等优点而被广泛关注。
基于特征模理论的天线等效电路分析
基于特征模理论的天线等效电路分析Analysis For Circuit Equivalent Modal Of Antenna Based On Characteristic Modes Approach李娜侯建强(西安电子科技大学微波研究所、西安、710071)摘要:本文在应用特征模理论简化分析天线模式的基础上，提出了一种综合高斯滤波器原理设计天线等效电路的方法。
首先用Altair公司的FEKO软件的特征模分析得到模式1和模式3为对称振子天线的主要辐射模式，再根据每个模式的模式系数图形设计带通滤波器等效电路，最后将两个模式的带通滤波器等效电路并联起来就是对称振子天线的等效电路。
将得到的等效电路的仿真结果与原天线的仿真结果相比，在带宽和阻抗等方面都很一致。
关键词:特征模理论，FEKO仿真，高斯滤波器，天线等效电路Abstract:Based on Simplifying the antenna modes through the application of characteristic modes approach, we propose a novel method which synthesize the Gauss filter to design antenna equivalent circuit. We take the dipole antenna as an example to expound the method. Firstly, from the analysis of the characteristic modes approach andthe simulation results of FEKO, mode 1 and mode 3 are found to be the main radiation modes for a dipole antenna. And then, band pass filter equivalent circuits are designed in the light of the modal coefficient graphs of each mode. Finally the two band pass filter equivalent circuits of mode 1 and mode 3 can be combined in parallel to be the equivalent circuit of the dipole antenna. The results of the equivalent circuit are quite consistent with the original antenna for the bandwidth and impedance.Key words: characteristics modes approach, FEKO simulation, Gauss filter, antenna equivalent circuit1 简介随着无线电通信技术的发展，天线的设计和应用受到越来越受到广泛的关注，对其性能的要求也越来越高。
特征模理论对临近馈电扇形宽带天线的分析
Key words:
Bandwidth，Characteristic Mode Theory，FEKO，proximity-fed，
sector antenna
1 概述
微带天线有很多的优点，比如说重量轻，结构简单，但是在带宽比较窄。为了在保留这 些优点的同时展宽带宽，目前已经有很多方法：在特定的位置开槽，多谐振器空隙耦合，临 近馈电，枝节加载，或者通过特征模理论来指导实现。 在文献[1-4]中，通过开槽的方式来为矩形微带天线增加带宽。在阻抗图中可以看出，对 天线每一个的开槽就引入了一个新的谐振模式，新的谐振模式和原模式共同工作使带宽变 宽。在文献[5] 中，提出了一种扇形天线，采用临近馈电的方式获得了 850MHz（相对带宽 约为 70%）的宽的带宽。在阻抗的实部和虚部图中，可以发现天线有三个谐振模式，同时 激励时，带宽展宽。论文中以阻抗曲线为研究对象，解释带宽展宽的原因，但是不够清晰和
Altair 2015 技术大会论文集
特征模理论对临近馈电扇形宽带天线的分析 Analysis of Broadband Proximity-fed Sector Antenna Applying Characteristic Mode Theory
吴雁翎 侯建强 (西安电子科技大学微波研究所、西安、 710071)
2 特征模理论
1968 年， Garbacz 提出了特征模理论， 并且通过对角化散射矩阵得到了任意形状导体 的模式。与此同时， Harrington 和 Mautz 利用归一化矩阵也得到了相似的结论。 如[8]中解释的，在每点的电场强度是和它所在的电流密度 J 紧密联系的，这意味着电 场有着阻抗 Z 的量纲。所以，阻抗 Z 可以被写成：
250°， 275°， 293° , applied to antenna designs, evaluating antenna performances using
基于特征模理论的低剖面MIMO立方体天线
基于特征模理论的低剖面MIMO立方体天线作者：于琪陈益凯杨仕文来源：《南京信息工程大学学报（自然科学版）》2019年第01期摘要基于特征模理论，给出了一种适用于室内环境的16端口多输入多输出（MIMO）立方体天线设计.首先利用特征模理论在对一个矩形金属片进行模式分析的基础上，同时激励金属片的不同模式，设计了一款工作于5.150～5.875 GHz的高隔离度的4端口MIMO天线单元，并引入人工磁导体（AMC）表面代替原天线的地板，大大降低了天线的剖面.进一步地，围绕立方体环绕一周组成4×4端口的MIMO立方体天线，在较小的空间内实现了天线的多端口与多极化.仿真和测试结果表明：天线在5.150～5.875 GHz频段内端口反射系数Sii< -10 dB，端口间隔离度Sij>20 dB.关键词特征模理论;MIMO立方体天线;人工磁导体;低剖面中图分类号TN820文献标志码A0引言随着无线通信系统的快速发展，有限的频谱资源与无线通信系统对信道容量不断增长的需求之间的矛盾日益加深.而多输入多输出（MIMO）天线由于其在不增加额外功率及频谱资源的前提下可通过多径传输提升系统信道容量的特性得到广泛应用[1-3]，因此具有良好的应用前景.现在由于有限空间资源的限制，MIMO天线的小型化受到了越来越高的重视.传统的较多端口的MIMO天线一般是平面阵列[4]，这样的MIMO天线占用空间较大且极化种类较少.而MIMO立方体天线可以在较小的空间内实现多个天线的集成以及极化多样性，在天线小型化方面有着明显的优势.文献[5]将12个偶极子安置在立方体的12条边上，在0.5λ×0.5λ×0.5λ的空间内实现了12端口的MIMO天线，文献[6]则在0.76λ×0.76λ×0.76λ的空间内实现了工作于2.40～2.48 GHz的18端口的MIMO天线，但它们所提出的天线带宽均很窄.MIMO天线的小型化会增强其端口间的耦合，所以在MIMO天线的設计中，在有限空间内实现各个单元间的去耦尤其重要.在现有的文献中提出了很多去耦技术：可通过正交排布天线单元[7]，减小端口间的近场耦合，从而提高端口间的隔离度，但是这种方法具有较大的局限性;也可通过引入去耦网络达到去耦效果[8]，但引入去耦网络的同时还需引入匹配网络，这无疑会增加天线的复杂度.比较常见的一种方法是在地板上开适当长度的槽来充当滤波器[9]，滤除部分耦合分量，或是引入电子带隙（EBG）结构[10]，抑制表面波的传播，提高天线的隔离度，当然这种方法也是引入其他结构，也会增加设计难度.本文采用了基于特征模理论的去耦方法.首先通过分析天线自身的模式电流，得到了5种显著的相互正交的模式，通过同时激励起这5种相互正交的模式得到一个高隔离度的4端口的MIMO天线单元.该去耦合方法基于天线自身特性，不引入其他结构，大大简化了天线的设计难度.然后，为了降低天线剖面加入AMC结构将天线剖面降为原来的34%，并将该天线组成立方体结构，而各单元空间位置的正交性确保端口间的隔离度没有恶化，从而得到了16端口的小型化MIMO立方体天线.1矩形金属片的模式分析特征模理论是Garbacz[11]在1965年首次提出的.一个物体的特征模指的是用于描述物体表面电流的一系列完全正交的电流，即特征电流Jn.同时这些电流所对应的辐射远场也是相互正交的，而特征电流Jn可由下面的矩阵方程计算得出：式中，X和R分别表示的是电场积分方程阻抗矩阵的虚部和实部，λn是Jn所对应的特征值.λn的范围从-到+，而它的模值λn决定了一个辐射系统所存储的能量，λn越大，系统所储存的能量越多，反之亦然.在辐射与散射问题中，λn=0时的情况尤其重要，此时的模式称为谐振模式，对应系统储存能量为零时的情况，而本文中所需关注的也就是λn接近于零的模式.模式显著性（MS，其量值记为SM）是用于描述当物体受到外部激励时，若每一个模式均被理想地激励时，它们对整体电流分布的贡献率，可用以下方程表示：定义SM≥12，即λn≤1的模式为显著模式，反之为不显著模式.本文中对一个矩形金属片在5～6 GHz进行特征模分析.该金属片尺寸为0.85λ0×0.85λ0（λ0为5.5 GHz所对应的真空中的波长），在其正下方距离0.38λ0处放置一地板，得到的矩形金属片特征模的模式显著性随频率变化的曲线如图1所示，可看出该矩形金属片的显著模式，即SM≥12的模式有5个，为图1中所标示的Mode1—Mode5.图2给出了该矩形金属片5个显著模式随频率变化的模式电流分布和辐射方向图，可以看出在5～6 GHz频段间，这5个显著模式的模式电流分布和辐射方向图均只有微小的变化.为了激励出Mode1—Mode5这5个模式，在金属片电流最大处进行开T形槽馈电，即在矩形金属片4个边的中心处以及4个角处进行开槽馈电，所得到的矩形金属片电流分布如图3所示.值得注意的是，Mode3和Mode5的馈电位置发生重叠，为了简化设计，可将这2种模式合在一起构成新的Mode3.2天线单元的设计图4给出了天线单元馈电端口的设计方案，给其中每一组端口以图中所示方向电流馈以等幅同相的电流，即可激励出所需的4种模式.以此原则设计馈电网络，采用一分二Wilkinson功分器连接Port11与Port12馈以等幅同相的电流可激励Mode1;采用0°和180°环形电桥连接Port21和Port22（Port31和Port32），分别馈以等幅同相和等幅反相的电流，即可分别激励出Mode2和Mode3;采用一分四Wilkinson功分器连接Port41、Port42、Port43和Port44，馈以等幅同相的电流，便可激励出Mode4.本文所设计的天线在HFSS中完成仿真设计，仿真模型如图5a所示.在同轴线处以理想集总端口激励，将所得全波仿真数据导入HFSS自带的2D电路中，利用其中自带的功分器与0°和180°环形电桥进行馈电，所得到的天线单元4个端口的反射系数与隔离度如图5b所示.由图5b可以看出，在5.150～5.875 GHz整个频段内，4个端口的反射系数Sii<-10 dB，阻抗匹配良好，而各个端口之间的隔离度|Sij|>25 dB，端口间的互耦很小，这正是由特征模的相互正交性所带来的.3低剖面天线单元设计前文所设计的天线单元采用理想导电体平面作为反射板，天线距离反射板高度为0.38λ0，约为21 mm.人工磁导体表面是一种周期性结构，具有反射同相的特性，可以代替传统的理想导电体平面作为天线的反射板，非常适用于低剖面天线的设计[12].为了降低天线剖面，本文采用图6a所示的AMC表面单元，为一“井”字形贴片敷在厚度为3.175 mm、介电常数为4.5的TP-2的介质板上，上方放置一厚度为1.58 mm、介电常数为2.17的TLY-5A的介质板.由图6b可以看出，该AMC结构在5.150～5.875 GHz频段内反射相位均在+90°～-90°之间，可作为天线的反射板.最终采用由8×8个AMC单元构成的AMC表面作为地板，其中为了避免同轴线对AMC表面的影响，去掉了Port4的4根同轴线所穿过的4个AMC单元，所得到的天线距离地板尺寸为7.175 mm（含介质板厚度），天线剖面缩减了66%.由前文给出的天线馈电网络设计原理设计了一分二功分器、一分四功分器与0°和180°环形电桥.为了缩减天线的尺寸，将地板尺寸缩减为1.05λ0×1.05λ0，同时将馈电网络放置在2层厚度为0.508 mm、介电常数为3.5的RF-35的介质板上，第1层放置一个0°和180°环形电桥，第2层放置一个一分二功分器与一个一分四功分器（如图7所示）.最终所得天线单元结构如图8所示，其端口S参数仿真结果如图9所示，在工作频段内端口反射系数Sii< -10 dB，隔离度Sij>20 dB.44×4端口的MIMO立方体天线设计将4个最终得到的低剖面天线单元环绕立方体一周组成一个尺寸为1.26λ0×1.26λ0×1.05λ0的MIMO立方体天线，如图10a所示.这样的设计在较小的空间内实现了16端口的MIMO天线设计，并且增加了极化多样性，非常适合室内环境.基于天线仿真模型，加工了实物模型，如图10b所示，测试结果如图11所示.由于该立方体天线的对称特性，在图11中只给出了A面天线单元端口的S参数和A、B面间端口隔离度以及A、C面间端口隔离度的测试结果.由测试结果可看出，A面端口的反射系数在5.150～5.875 GHz频段间均小于-10 dB，隔离度均大于20 dB，而A面与B面、C面之间端口隔离度均大于30 dB，因此可认为该立方体天线在5.150～5.875 GHz频段内所有端口反射系数均小于-10 dB，端口隔离度大于20 dB.同时图12给出了该立方体天线其中一个单元在xoz面和yoz面上的辐射方向图的测试结果与仿真结果，可看出一个天线单元的4个端口可以激励出多种极化，而将单元环绕一周所得到的立方体天线则会具有更多的极化，可以更好地接收来自各个方向的信号.为了衡量本文所设计的MIMO天线在使用时的分集性能，计算了天线端口间的包络相关系数[13]，计算所用的公式如下：式中ρi，j为端口i和端口j间的包络相关系数，Ei（θ，φ）为端口i激励其他端口匹配时的辐射远场，Ej（θ，φ）为端口j激励其他端口匹配时的辐射远场.由图11的测试结果可以看出，各单元间的端口耦合非常小，单元间几乎没有影响，故本文中只计算了单元内部端口间的包络相关系数.同时，由于用现有测试设备测试3D方向图比较困难且精度不高，而天线测试结果与仿真结果较为贴合，所以采用仿真结果计算包络系数，所得结果如图13所示.一般情况下MIMO天线各端口之间的包络相关系数小于0.5时，才有较为显著的分集效果[14]，由图13可以看出该天线端口间包络相关系数均小于0.5，即可认为它有良好的分集性能.5结束语本文基于特征模理论设计了一款工作于5.150～5.875 GHz、尺寸为1.26λ0×1.26λ0×1.05λ0的16端口MIMO立方体天线.该天线利用特征模理论实现了天线单元的多极化与各端口间的高隔离度，并通过加载AMC表面实现了天线单元的低剖面，从而在较小空间内实现了多端口、高隔离度、多极化的MIMO立方体天线.实验结果表明该天线在工作频段内反射系数小于-10 dB，端口間隔离度大于20 dB，满足MIMO天线的设计要求.参考文献References[1]Foschini G J，Gans M J.On Limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[J].Wireless Personal Communications，1998，6（3）：311-335[2]帅吉莉.电脑MIMO天线应用简介[J].科技创新导报，2011（1）：22SHUAI Jili.Introduction to computer MIMO antenna application[J].Science and Technology Innovation Herald，2011（1）：22[3]Bae H，Harackiewicz F J，Park M J，et pact mobile handset MIMO antenna for LTE700 applications[J].Microwaveand Optical Technology Letters，2010，52（11）：2419-2422[4]Yang BQ，Yu Z Q，Dong Y Y，et pact tapered slot antenna array for 5G millimeter-wave massive MIMO systems[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2017，65（12）：6721-67273低剖面天线单元设计前文所设计的天线单元采用理想导电体平面作为反射板，天线距离反射板高度为0.38λ0，约为21 mm.人工磁导体表面是一种周期性结构，具有反射同相的特性，可以代替传统的理想导电体平面作为天线的反射板，非常适用于低剖面天线的设计[12].为了降低天线剖面，本文采用图6a所示的AMC表面单元，为一“井”字形贴片敷在厚度为3.175 mm、介电常数为4.5的TP-2的介质板上，上方放置一厚度为1.58 mm、介电常数为2.17的TLY-5A的介质板.由图6b可以看出，该AMC结构在5.150～5.875 GHz频段内反射相位均在+90°～-90°之间，可作为天线的反射板.最终采用由8×8个AMC单元构成的AMC表面作为地板，其中为了避免同轴线对AMC表面的影响，去掉了Port4的4根同轴线所穿过的4个AMC单元，所得到的天线距离地板尺寸为7.175 mm（含介质板厚度），天线剖面缩减了66%.由前文给出的天线馈电网络设计原理设计了一分二功分器、一分四功分器与0°和180°环形电桥.为了缩减天线的尺寸，将地板尺寸缩减为1.05λ0×1.05λ0，同时将馈电网络放置在2层厚度为0.508 mm、介电常数为3.5的RF-35的介质板上，第1层放置一个0°和180°环形电桥，第2层放置一个一分二功分器与一个一分四功分器（如图7所示）.最终所得天线单元结构如图8所示，其端口S参数仿真结果如图9所示，在工作频段内端口反射系数Sii< -10 dB，隔离度Sij>20 dB.44×4端口的MIMO立方体天线设计将4个最终得到的低剖面天线单元环绕立方体一周组成一个尺寸为1.26λ0×1.26λ0×1.05λ0的MIMO立方体天线，如图10a所示.这样的设计在较小的空间内实现了16端口的MIMO天线设计，并且增加了极化多样性，非常适合室内环境.基于天线仿真模型，加工了实物模型，如图10b所示，测试结果如图11所示.由于该立方体天线的对称特性，在图11中只给出了A面天线单元端口的S参数和A、B面间端口隔离度以及A、C面间端口隔离度的测试结果.由测试结果可看出，A面端口的反射系数在5.150～5.875 GHz频段间均小于-10 dB，隔离度均大于20 dB，而A面与B面、C面之间端口隔离度均大于30 dB，因此可认为该立方体天线在5.150～5.875 GHz频段内所有端口反射系数均小于-10 dB，端口隔离度大于20 dB.同时图12给出了该立方体天线其中一个单元在xoz面和yoz面上的辐射方向图的测试结果与仿真结果，可看出一个天线单元的4個端口可以激励出多种极化，而将单元环绕一周所得到的立方体天线则会具有更多的极化，可以更好地接收来自各个方向的信号.为了衡量本文所设计的MIMO天线在使用时的分集性能，计算了天线端口间的包络相关系数[13]，计算所用的公式如下：式中ρi，j为端口i和端口j间的包络相关系数，Ei（θ，φ）为端口i激励其他端口匹配时的辐射远场，Ej（θ，φ）为端口j激励其他端口匹配时的辐射远场.由图11的测试结果可以看出，各单元间的端口耦合非常小，单元间几乎没有影响，故本文中只计算了单元内部端口间的包络相关系数.同时，由于用现有测试设备测试3D方向图比较困难且精度不高，而天线测试结果与仿真结果较为贴合，所以采用仿真结果计算包络系数，所得结果如图13所示.一般情况下MIMO天线各端口之间的包络相关系数小于0.5时，才有较为显著的分集效果[14]，由图13可以看出该天线端口间包络相关系数均小于0.5，即可认为它有良好的分集性能.5结束语本文基于特征模理论设计了一款工作于5.150～5.875 GHz、尺寸为1.26λ0×1.26λ0×1.05λ0的16端口MIMO立方体天线.该天线利用特征模理论实现了天线单元的多极化与各端口间的高隔离度，并通过加载AMC表面实现了天线单元的低剖面，从而在较小空间内实现了多端口、高隔离度、多极化的MIMO立方体天线.实验结果表明该天线在工作频段内反射系数小于-10 dB，端口间隔离度大于20 dB，满足MIMO天线的设计要求.参考文献References[1]Foschini G J，Gans M J.On Limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[J].Wireless Personal Communications，1998，6（3）：311-335[2]帅吉莉.电脑MIMO天线应用简介[J].科技创新导报，2011（1）：22SHUAI Jili.Introduction to computer MIMO antenna application[J].Science and Technology Innovation Herald，2011（1）：22[3]Bae H，Harackiewicz F J，Park M J，et pact mobile handset MIMO antenna for LTE700 applications[J].Microwaveand Optical Technology Letters，2010，52（11）：2419-2422[4]Yang BQ，Yu Z Q，Dong Y Y，et pact tapered slot antenna array for 5G millimeter-wave massive MIMO systems[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2017，65（12）：6721-6727。
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基于特征模理论和CMA技术的天线设计
一、概述不断提高通信系统的通信容量和质量，是无线通信的永恒主题。
随着无线通信技术的迅速发展，人们对天线的设计提出了越来越多的要求。
采用超宽带（UWB）技术和多输入多输出（MIMO）技术在提高数据传输率方面具有极大的潜力，MIMO技术能够提高通信系统的信噪比，提高信道容量及抑制信道衰落，对于移动设备来说，需要多单元集成在一起，以减小整个天线的尺寸，就要求MIMO多天线单元之间的互耦较低，以此来实现各路信号之间的低相关性。
采用基于矩量法的特征模技术是一种最佳的选择。
特征模分析方法是近年来兴起的一种分析方法，它是应用较为广泛的矩量法结合解析本征模理论求解电磁问题的一类新方法。
它为天线设计者提供了一种最佳的天线设计手段，有助于天线设计师了解天线的工作机理。
利用分析得到的不同模式信息，掌握其谐振特性以及不同模式的辐射特性等，借助于不同模式特征电流的分布来选择最佳的馈电位置以激发出需要的模式，也有助于指导设计师对天线进行开槽来微调其谐振位置［1］。
本文采用FEKO V14版本［2］的特征模分析工具仿真了几种常用天线形式的特征模参数。
模式方法为任意复杂形状的电磁问题定义了一系列与解析法类似的本征模式，这些模式可描述电磁问题的本征特性，且模式之间具有正交特性，本征值的大小直接决定了该模式对电磁问题参量的贡献大小。
它使得矩量法有了更为清晰的物理景象，天线设计者可以利用模式分析提供的信息，更深入地理解天线的工作原理，设计出性能最优的天线，甚至设计新的天线形式［3］。
二、原理特征模理论最初由Garbacz在1968年他的博士论文［4］中提出，1971年由Harrington和Mautz通过对角化导体的广义阻抗矩阵，得到了与Garbacz定义的相同模式［5］-［6］，在［5］中描述的被称为特征模式理论的公式相对于由Garbacz在［4］提出的更易于推导，并对任意形状的结构体进行了验证是非常有效的。
后来Harrington等人对特征模理论进行了扩展，可以处理电解质、磁介质以及电/磁性混合体等［7］。
特征模理论自提出以来，在计算电磁学和天线设计等领域受到广泛关注。