基于特征模理論的縫隙寬帶天線設(shè)計(jì)

楊春蘭 王碧呈

摘要：基于特征模理論的縫隙寬帶天線種類繁多，一種新型的微帶縫隙寬帶天線可分為三種不同天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用特征模態(tài)理論優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，然后在該基礎(chǔ)上根據(jù)結(jié)構(gòu)特征及電流分布情，在多個(gè)模態(tài)特征電流相似區(qū)域設(shè)置天線饋源，以形成所需的目標(biāo)模式，最后得到多模諧振，提高縫隙天線帶寬。多數(shù)天線都是由長(zhǎng)矩形縫隙和對(duì)稱圓形縫隙（主要地鑲嵌于兩側(cè)），饋源的設(shè)置則在處于非對(duì)稱矩形縫隙槽中。為進(jìn)一步了解縫隙寬帶天線，本文以阻抗帶寬為1.09～2.7 9 GHz的天線為例（輻射性能良好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單），分析了基于特征模理論的縫隙寬帶天線設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：特征模理論：縫隙寬帶天線;設(shè)計(jì)分析

特征模理論在縫隙寬帶天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原理在于通過分析天線特征值將表面電流分解成對(duì)應(yīng)的特征電流，然后根據(jù)不同特征模式對(duì)應(yīng)特征值的大小，對(duì)可特征模式輻射能力進(jìn)行強(qiáng)弱判斷，最后結(jié)合輻射能力設(shè)計(jì)不同信號(hào)強(qiáng)度的縫隙寬帶天線。很多文獻(xiàn)顯示，特征模理論的應(yīng)用不僅能夠降低縫隙寬帶天線設(shè)計(jì)難度，還能夠完善縫隙寬帶天線結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化縫隙寬帶天線功能，讓縫隙寬帶天線符合我國(guó)通信系統(tǒng)信號(hào)管理要求，提高無線通信系統(tǒng)的信號(hào)處理能力，最終促進(jìn)通信行業(yè)健康發(fā)展，由此可見特征模理論的重要性[1]。對(duì)此，下文先簡(jiǎn)單概述了特征?；纠碚摷坝?jì)算公式，然后在該基礎(chǔ)上分析了縫隙寬帶天線設(shè)計(jì)中特征模理論的具體應(yīng)用。

1特征?；纠碚摷坝?jì)算公式

特征模理論最早在1968年由Garbacz提出，由Harrington等結(jié)合矩量法完善特征模理論體系，不僅能夠處理電解質(zhì)方面的問題，還能夠處理磁介質(zhì)及電磁性等方面的問題，已經(jīng)被應(yīng)用于電磁仿真軟件開發(fā)、無線通信系統(tǒng)構(gòu)建及縫隙寬帶天線設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，如果與數(shù)值矩量法結(jié)合，還能夠解決電磁方面的問題[2]。特征模理論的物理概念非常清晰，能夠?qū)⑻炀€結(jié)構(gòu)工作機(jī)理明確展現(xiàn)出來，同時(shí)特征模還成為了電磁物體的固有屬性，并直接影響天線的形狀、尺寸和工作頻率，所以相關(guān)科研技術(shù)人員都會(huì)基于特征模理論去設(shè)計(jì)和開發(fā)縫隙寬帶天線。 基于矩量法（MoM）的特征模理論，可通過廣義特征值方程計(jì)算出縫隙寬帶天線設(shè)計(jì)參數(shù)，相關(guān)方程及公式如下：

式中：特征電流的特征值用表示;

阻抗矩陣用Z表示，相關(guān)計(jì)算公式為：

式中的R表示電場(chǎng)積分方程阻抗的實(shí)部，而X則表示電場(chǎng)積分方程阻抗的虛部;

特征電流需要滿足以下正交性：

式中的表示為輻射功率，當(dāng)=1時(shí)，儲(chǔ)能只與有關(guān)，越接近于 0則表示此模式在此頻率下越接近諧振;當(dāng)>0時(shí)表示該模式在此頻率下儲(chǔ)存磁能感性;當(dāng)<0時(shí)表示該模式在此頻率下存儲(chǔ)電能呈容性[3]。

本文提到的阻抗帶寬為1.09～2.7 9 GHz的縫隙寬帶天線，基于以上方程及公式計(jì)算出輻射潛力，用Modal Significance （MS）表示，具體計(jì)算公式如下：

MS的范圍取值設(shè)置在0～1;當(dāng)MS≥0.7時(shí)，≤1，適合輻射模式激勵(lì);當(dāng) MS=1時(shí)，在此頻率下該模式發(fā)生諧振。

2天線結(jié)構(gòu)及模式設(shè)計(jì)

本文根據(jù)以上特征模理論及計(jì)算方程設(shè)計(jì)了一款寬頻帶窄縫隙微帶天線，據(jù)了解該天線印制的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)計(jì)為4.4，損耗角正切設(shè)計(jì)為0.03且在FR4介質(zhì)基板上，尺寸為95mm×95mm×0.8mm，天線的圓形縫隙、長(zhǎng)矩形縫隙都呈現(xiàn)出對(duì)稱特點(diǎn)，圖中的w表示縫隙寬度，L、r、S、g則表示其他長(zhǎng)度。

根據(jù)特征電流分布、多模諧振思想，在距離圓心S的非對(duì)稱位置接上標(biāo)準(zhǔn)為50Ω的饋線，以產(chǎn)生更多電流諧振回路，將潛在模態(tài)激勵(lì)出來，進(jìn)而形成多模諧振，并拓寬天線的頻帶，然后篩選得出最佳天線寬頻特性，最后在電磁仿真軟件HFSS15.0的支持下進(jìn)行優(yōu)化并確定最優(yōu)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)。

天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程及天線結(jié)構(gòu)模式見圖1和圖2，本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)模式有三種，每種結(jié)構(gòu)在FEKO特征模分析功能作用下都能夠得出六種特征模式，模式1、模式2屬于簡(jiǎn)單模，見圖2（a）;模式6則屬于高次模，很難被激勵(lì)，故不宜產(chǎn)生諧振，所以可通過前5種模式來分析寬帶天線特性。當(dāng)模式1、模式2、模式4靠得很近時(shí)可使用挖槽方式改變電流回路，從而將模式3和模式5的諧振特性改變[4]。

從圖3（c）中看出，結(jié)構(gòu)三的前六種模式難以被激發(fā)，但如果模式5向模式4靠攏則會(huì)激發(fā)模式1、模式2、模式4、模式5時(shí)，從而得到寬帶特性。前六種模式的歸一化特征電流分布情況見表4。

利用HFSS15.0仿真優(yōu)化天線的尺寸W、r、L、S，經(jīng)過反復(fù)嘗試得出最佳的饋電點(diǎn)位置為S=5mm;當(dāng)W=1.8mm時(shí)，天線存在較好寬頻帶回波損耗參數(shù)，同時(shí)保證天線的窄縫特性;r=26mm時(shí)，天線呈現(xiàn)多諧振特點(diǎn)且回波損耗較小，帶寬范圍較大;當(dāng)L=91mm時(shí)，天線的帶寬最理想，最佳尺寸的具體參數(shù)見1。

根據(jù)表中參數(shù)計(jì)算出最佳的天線電流范圍。

3實(shí)物加工與測(cè)試

依據(jù)本文得出的最佳天線尺寸制作了天線樣品，然后使用安捷倫N5227A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試實(shí)物天線的回波損耗，測(cè)試結(jié)果顯示阻抗帶寬范圍為1.09～2.79GHz，相對(duì)帶寬為87.60%，所設(shè)計(jì)的天線回波損耗仿真曲線和測(cè)試曲線基本吻合，證實(shí)了天線設(shè)計(jì)的正確性[5]。

測(cè)試結(jié)果還顯示，隨著頻率的升高旁瓣、交叉的極化現(xiàn)象也就越明顯，如果天線饋電結(jié)構(gòu)的工作頻帶較寬且不對(duì)稱時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電流分布、不對(duì)稱等問題發(fā)生，降低天線的使用價(jià)值及性能，但總體來說，本文設(shè)計(jì)的天線主輻射性能在帶寬范圍內(nèi)能夠麻醉各種場(chǎng)景通信需求。

結(jié)語(yǔ)

總之，特征模理論已經(jīng)在縫隙寬帶天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果，能夠幫助相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員設(shè)計(jì)、開發(fā)出更高性能、結(jié)構(gòu)更為完善的縫隙寬帶天線。縫隙寬帶天線一直都是無線通信系統(tǒng)獲取信號(hào)的技術(shù)支持，即很多無線通信系統(tǒng)都通過縫隙寬帶天線獲取信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸類、處理，最終提取有用信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的縫隙寬帶天線是由長(zhǎng)矩形縫隙和對(duì)稱圓形縫隙構(gòu)成，結(jié)合多模諧振思想、非對(duì)稱饋電方式，能夠?qū)撛谀Ｊ郊?lì)出來，從而獲得更寬天線帶寬。還可以利用電磁仿真軟件HFSS15.0優(yōu)化該天線，以擴(kuò)大帶寬范圍的同時(shí)，提高天線輻射性能。