特征模理论及其在天线设计中的应用

发布时间：2020-05-13 10:53

【摘要】：特征模理论(Theory of Characteristic Mode,TCM)为天线的设计过程提供了新的指导思路。特征模式是导体结构本身的固有属性,在不添加激励的情况下,就可以看到导体上各个模式的分布特点。将特征模理论应用于天线的设计中,可以极大提高天线的设计效率,并且可以提供清晰的原理性分析。不论是单导体或是多导体,从平面结构到立体结构,特征模理论都可以广泛地适用。本文以特征模理论的应用为重点,针对不同空间复杂度的导体结构,结合不同导体结构上特征模式的特点,设计出三种不同功能的天线。论文首先利用单金属板设计了一种单模式天线。通过耦合结构激发金属板上的模式1,利用双激励点同相位的方式提高模式1的占比。对单模式天线进行定量分析,利用模式加权系数求得模式1在天线总的辐射功率中占比93%。另外,将基于特征模理论的单模式天线与传统的IFA天线进行对比分析,得到两种天线在原理上的差异。然后利用折叠金属板上特征模式的特点,设计具有地辐射模和贴片辐射模的贴片天线结构,以此实现具有宽带特性的双模贴片天线。针对地辐射模辐射谐振较弱的问题,详细分析了地辐射模时天线的电场分布特点和谐振特性,给出了天线在地辐射模时的场分布模型,对初始结构进行改进并加工实物验证,得到了工作带宽为21.1%的小型化贴片天线结构。论文最后对立体三面结构进行特征模分析,通过特征模式远场电场相互正交的特点,设计了一款立体结构圆极化天线。在天线的设计过程中,比较了不同馈电方式模式加权系数的区别,最后选择利用同轴馈电激发两个谐振点相近的模式,天线性能符合圆极化天线的要求,同时还分析了立体面对天线性能的影响。
【图文】：

模型图,藕合,天线,模型

在上面这篇论文中，也简单说明了耦合元的作用机理。他们提出，可以场耦合和电场耦合来激发地板上的模式。一块小的导体板或者探针放在上方使其电场平行于地板上特征模式的电场，这样就可以通过电场耦合地板上相应的模式。同理，利用环状导体产生环状电流且其电流方向与地模式的电流流向基本相同，就是利用磁场耦合激发地板的特征模式。逡逑在他们２０１０的文献［２９］中，提到了电容耦合元（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ邋Ｃｏｕｐｌｉｎｇ逡逑ｍｅｎｔｓ，邋ＣＣＥ）的概念。如图１－２。ＣＣＥ本是应用在ＵＨＦ频带数字电视和蜂的天线中，它在优化手机终端天线的过程中起到一定的作用。设计ＣＣＥ是用来在较宽的频率范围内提高收发器接受自由空间电磁波的性能。由于逡逑在工作频带内与外部的匹配电路相匹配，ＣＣＥ自身是不需要被激发辐射逡逑。正是由于这一特性，利用ＣＣＥ来设计手机天线，可以比传统平面倒Ｆ天ａｎａｒ邋ｉｎｖｅｒｔｅｄ－Ｆ邋ａｎｔｅｎｎａ，逦Ｐ１ＦＡ）具有更紧凑的结构。逡逑

地板,终端,天线,特征模式

图１－１用耦元天线模这篇论文中，，也简单说明了耦合元的作用机理。他们提出，可和电场耦合来激发地板上的模式。一块小的导体板或者探针放其电场平行于地板上特征模式的电场，这样就可以通过电场耦应的模式。同理，利用环状导体产生环状电流且其电流方向与流流向基本相同，就是利用磁场耦合激发地板的特征模式。逡逑２０１０的文献［２９］中，提到了电容耦合元（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ邋Ｃｏｕｐｌｉｎｇ逡逑ＣＣＥ）的概念。如图１－２。ＣＣＥ本是应用在ＵＨＦ频带数字电视和中，它在优化手机终端天线的过程中起到一定的作用。设计ＣＣ在较宽的频率范围内提高收发器接受自由空间电磁波的性能。频带内与外部的匹配电路相匹配，ＣＣＥ自身是不需要被激发辐于这一特性，利用ＣＣＥ来设计手机天线，可以比传统平面倒Ｆｒｔｅｄ－Ｆ邋ａｎｔｅｎｎａ，逦Ｐ１ＦＡ）具有更紧凑的结构。逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820

【参考文献】