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貼片天線的特征模分析及其應(yīng)用

2022-01-12 來源:微波射頻網(wǎng) 作者:94巨蟹座少年 字號:

學(xué)個Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主,理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄,包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設(shè)計、調(diào)試過程及思路如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題,可以在文尾寫下留言。

摘要:

特征模理論是由Garbacz在1968年在其博士論文中提出來的,并由Harrington在1971年發(fā)展為現(xiàn)在普適的經(jīng)典形式。它是應(yīng)用較為廣泛的矩量法結(jié)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(shè)計者提供了一種最佳的天線設(shè)計手段。

本文使用的軟件為CST 2018

特征模理論的背景

由于早期電腦的算力和內(nèi)存的限制,特征模理論在天線中的應(yīng)用并未引起廣泛關(guān)注。隨著電子信息的快速發(fā)展,眾多基于矩量法(MoM)、有限元法(FEM)、時域有限差分(FDTD)方法的仿真軟件廣泛用于天線設(shè)計。

但是調(diào)節(jié)天線結(jié)構(gòu)和饋電位置在很大程度上依賴于設(shè)計者積累的經(jīng)驗和知識,初學(xué)者戲謔自己入行了一門“玄學(xué)”。初入行的天線工程師往往通過電磁仿真軟件仿真天線性能,大部分時間折騰在盲目的調(diào)參過程中不能自已。于是工程師們尋求許多如遺傳算法等現(xiàn)代進化優(yōu)化算法,來減輕天線調(diào)試優(yōu)化中的繁重工作量。在這種情況下,天線設(shè)計通常會被視為缺乏科學(xué)理論和邏輯。因此,過度依賴這種蠻力技術(shù)在天線設(shè)計中并不是一個好方法。

下面引出特征模的定義:

·  The basic assumption is made that the scattering or radiation pattern of any object is a linear combination of modal patterns, characterized by its shape, and excited to various degrees at the terminals (the object acts as a radiator) or by an incident field (the object acts as a scatterer).

·  基本假設(shè)是任何物體的散射或輻射模式是模態(tài)模式的線性組合,以其形狀為特征,并在終端(物體充當輻射體)或被入射場(物體作為散射體)不同程度地激發(fā)。
·  The current distribution over the object is assumed to be decomposed into an infinite number of modal currents, each of which radiates a characteristic modal pattern independent of all others.

·  假設(shè)目標物體上的電流分布被分解為無限數(shù)量的模態(tài)電流,每個模態(tài)電流輻射出獨立于所有其他模態(tài)的特征模態(tài)模式
不考慮饋電結(jié)構(gòu)的情況下,可以借鑒波導(dǎo)里的TE10,TE11等正交模式,給出任意形狀金屬結(jié)構(gòu)的所有完備、正交的輻射模式,這些輻射模式我們就稱之為“特征模式”。

特征模理論公式

下面擷取電子科技大學(xué)的陳益凱教授著作——"Characteristic Modes:Theory and Applications in Antenna Engineering"的相關(guān)理論內(nèi)容進行簡單闡述:

特征模理論的幾個重要定義如下:

模式權(quán)重系數(shù):表示外部源E的激勵下,第N個模式的電流對于總電流的貢獻,它與導(dǎo)體本身和外部源有關(guān);

模式激勵系數(shù):表示某個激勵源與第N個模式電流的耦合程度,耦合程度越高表明在外加源下,電流貢獻占比越大;

模式特性MS:只與導(dǎo)體本身有關(guān),與源無關(guān);

特征角:代表模式電流和模式電場在天線表面正切分量之間的相位差。

在很多情況下研究模式特性是很方便的,其取值范圍為0~1,越接近于1則代表其重要程度越大,更容易被激勵。除此之外,研究模式特性也提供了一種方便的方法來預(yù)估每個特征模式的工作帶寬(BW)。

模式處于諧振狀態(tài)時有,偏離諧振頻率的高低頻分別為,若滿足(點下面公式左右滑動可看全部):

則可得出該模式的工作帶寬(BW)為:

貼片天線的特征模仿真

本次仿真在CST 2018版本,M-Solver(Multilayer Solver)下進行,仿真頻段為5~6.5GHz。

需要注意的是,特征模求解時,材料需要設(shè)置為無損!不然就會出現(xiàn)下面的報錯:

Lossy materials are not supported for the characteristic mode analysis.

這里我們將基板(介電常數(shù)2.2,厚度1mm)和貼片的尺寸設(shè)置為同等大小(20.45mm×16.9mm),不用設(shè)置地板。

邊界條件的設(shè)置如下:

將貼片下方設(shè)置為electric(Et=0),其他面設(shè)置為open(add space)即可,仿真的MS結(jié)果如下:

在5-6.5GHz內(nèi),該貼片僅有一個模式能被顯著激勵起來,而且?guī)挶容^窄,這與微帶貼片天線的窄帶寬特性比較貼合。接下來查看三種模式的電流分布和遠場方向圖特性:

模式的電流分布

從左到右依次為仿真的模式1、2、3的電流分布圖

模式的遠場方向圖

從左到右依次為仿真的模式1、2、3的遠場方向圖

對于貼片天線,其帶寬理論上是可以通過增加基板厚度來實現(xiàn),于是在CST中增加基板厚度至1.5mm,諧振頻率往低偏移,而且?guī)捦貙捔恕?/span>

相比于在電磁軟件中一口氣將天線和饋電結(jié)構(gòu)全部參量化建模,然后再暴力掃參調(diào)試,特征模理論在一定程度上給我們指明了一條理論指導(dǎo)實踐的路。先仿真給定導(dǎo)體和介質(zhì)下的寬頻帶內(nèi)的MS結(jié)果,根據(jù)需要選取合適的模式進行激勵,這樣比暴力優(yōu)化相比就顯得科學(xué)化了。
舉一個最簡單的例子,貼片天線開槽和變形進行頻帶的拓寬,如果只是建模完后把調(diào)試任務(wù)交給Optimizer,整個求解任務(wù)費時費力。如果先進行特征模式的仿真,組合幾個鄰近特征模式,通過選取合適的饋電位置和饋電方式來激勵多模,即可實現(xiàn)寬帶特性。

優(yōu)化好導(dǎo)體形狀后再找合適的位置進行饋電、激勵,一定程度上也對調(diào)試工作進行了規(guī)范化。

下載特征模學(xué)習(xí)資料

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