特征模理论与天线设计

全息天线理论研究与设计全息天线理论研究与设计引言随着无线通信技术的迅猛发展，人们对于更快速、更高效的信号传输和接收需求不断提高。

传统天线技术已经无法满足这一需求，而全息天线作为一种新型的天线技术，具有更小巧、更高效的特点，因而备受关注。

全息天线是基于光学全息的概念设计的一种新型天线，它将场景信息直接投影到天线表面上，实现天线的快速可调整和软件定义。

全息天线通过控制电磁波的相位和幅度来达到信号的传输和接收，其天线的尺寸与工作波长相当，因此可以实现更高的方向性、更高的频率选择性和更低的副瓣水平。

全息天线理论全息天线的理论基础是光学全息理论，它利用光的波动特性，通过干涉、衍射和散射等光学效应来实现信息的存储和重建。

光学全息将三维信息编码到二维的光学波前上，通过光的传输和光的干涉效应来实现信息的高效传输。

在电磁波领域中，全息天线可以实现类似的效果。

通过使用人工结构化介质的天线超表面，全息天线可以实现在天线表面上存储和控制电磁波的相位和幅度，从而实现波的重建和调制。

例如，通过改变超表面上各个单元的相位，可以实现波束的形成和调控。

全息天线可以有效地减小天线的尺寸，提高天线的性能指标。

全息天线设计全息天线的设计需要考虑多个因素，包括工作频率、天线尺寸、方向性和频率选择性等。

首先，根据工作频率选择合适的超材料。

超材料是通过结构化介质实现的，可以调控电磁波的传播特性。

选择合适的超材料可以实现更好的波束控制效果。

其次，根据天线尺寸确定合适的天线类型。

全息天线的尺寸与工作波长相当，因此需要根据波长选择适合的天线类型，如微带天线、天线阵列等。

再次，考虑天线的方向性和频率选择性。

全息天线具有较高的方向性，可以实现波束的形成和调控，从而实现对目标的精确定位和跟踪。

此外，全息天线还具有较高的频率选择性，可以在多径干扰较强的信道中提供更好的通信质量。

总结全息天线作为一种新型的天线技术，具有更小巧、更高效的特点，正在引起广泛的关注和研究。

特征模法及其在天线设计中的应用特征模法是一种广泛应用于天线设计中的方法。

在天线设计中，特征模法可以用来分析和优化天线的性能，包括增益、辐射模式、频率响应等。

特征模法是一种基于特征值和特征向量的数学方法，通过分析天线的特征模式，可以得到天线的电磁性能信息。

具体而言，特征模法可以通过求解天线的电磁场分布方程，得到天线的特征值和特征向量。

特征值表示天线的特征模式的频率，特征向量表示天线的特征模式的空间分布。

通过分析和优化这些特征值和特征向量，可以得到更好的天线设计。

在天线设计中，特征模法可以应用于多种情况。

首先，特征模法可以用来分析和优化天线的增益。

增益是衡量天线辐射功率的重要指标，通过分析天线的特征模式，可以确定天线的辐射方向和主瓣方向，从而优化天线的增益。

特征模法可以用来分析和优化天线的辐射模式。

辐射模式描述了天线在不同方向上的辐射能力，通过分析天线的特征模式，可以得到天线的辐射模式图，从而优化天线的辐射性能。

特征模法还可以用来分析和优化天线的频率响应。

频率响应描述了天线在不同频率下的工作能力，通过分析天线的特征模式，可以得到天线的频率响应曲线，从而优化天线的频率选择性能。

特征模法在天线设计中的应用还包括天线阵列设计、天线匹配网络设计等。

天线阵列是由多个天线组成的系统，通过分析每个天线的特征模式，可以确定整个天线阵列的辐射性能。

天线匹配网络是用来调整天线输入阻抗的网络，通过分析天线的特征模式，可以确定天线匹配网络的参数，从而优化天线的输入阻抗匹配性能。

特征模法是一种在天线设计中广泛应用的方法。

通过分析天线的特征模式，可以得到天线的电磁性能信息，从而优化天线的设计。

特征模法不仅可以应用于天线的增益、辐射模式和频率响应的优化，还可以应用于天线阵列设计、天线匹配网络设计等方面。

特征模法的应用为天线设计提供了一种有效的分析和优化方法，有助于提高天线的性能和可靠性。

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。

万方数据第３３卷电子测量技术Ｖ２“＋量：妒。

＝０警＝ｏ（２）仅在离散的ｋ。

方程（２）才存在不为零的解，每一个ｋ。

值对应一个特征函数。

把式（２）两边乘以特征函数的共轭％，然后在腔体体积上积分，在矩形微带天线周界Ｃ上积分为零，于是可得…：＝糌（３）显然，ｋ。

为零或者正整数。

设矩形微带天线只激励基模，在引入切角分离单元后，可令新的特征函数为∥，相应的波数为ｋ７，则可设：∥一Ｐ≯。

ｔ＋Ｑ乒，。

（４）将式（４）代入式（３）可得‘”：｜１．（ＰＶ幽。

＋ＱＶ咖。

）２ｄｓ’ｌｌ，（即。

－＋ＱＶ以。

）２ｄｓ７式中ｌｓ７＝ｓ十Ａｓ，现在令：ＩＩ（Ｖ咖１）２ｄｓ＝ｇ。

ｌｌ（Ｖ幽。

）２ｄｓ＝ｑ：ＪＪ山ＪＪ－』『。

‰ｌ２ｄｓ＝Ｐｌ儿（¨２ｄｓ＝夕。

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灿舭ｄ确ｚ『『。

Ｖ们舭ｄ＿ｑｌｚ将式（６）代入式（５）简化为：五，ｚ：』！！昱：里！“，２（Ｐ・Ｑ）如果Ｐ、Ｑ有解则计算可得：ｑ１２ｑ２。

口１２＝０Ｐ１＝Ｐ２＝２（△ｓ／ｓ）Ｐ１２＝一２（△ｓ／ｓ）把式（８）代入式（７）。

可得ｔ志％＝艇。

（１—４△ｓ／ｓ）（５）由式（１２）可知：通过控制切角的尺寸可以控制两个简并正交模式谐振频率的分离程度，从而控制两个模式特征阻抗的相差。

以实现囤极化辐射。

根据前面的分析可将一点馈电矩形圆极化微带天线的设计步骤归纳如下：１）根据给定的工作频率和介质基板确定微带天线尺寸Ｗ。

对于介质基片厚度为ｈ，相对介电常数为ｅ，。

天线工作频率为的前提下ｆ，能够形成较高辐射效率的贴片宽度为［“ｌⅣ＝毒（孚）。

１他２）计算规则矩形微带天线的扰动量Ａｓ／ｓ，从而可以确定切角的尺寸［７３；３）确定馈电点的位置根据腔模理论可计算得到微带腔体的Ｑ值。

根据Ｑ值可以求得微带天线的输入阻抗与馈电位置Ｌ。

（Ｌ。

为馈电点距离宽边边沿的距离）的关系式［９］ｔｐｏ一１１２０），ｏ““一２ｗＬｏ＝“－－－－ａｒｃｃｏｓ（√Ｒ。

／Ｒ二）丌因为同轴馈线的特性阻抗为５０Ｑ，因此为了阻抗匹配。

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。

基于特征模理论的天线等效电路分析天线是用来辐射或接收电磁波的装置。

在天线设计和优化过程中，我们经常需要进行天线的等效电路分析，以便更好地理解和优化天线的性能。

其中一种常用的分析方法是基于特征模理论。

特征模理论是一种将天线等效为一个包含电感、电容和电阻的电路模型的理论。

通过将天线的电流和电压表示为特征模的组合，我们可以利用电路分析的方法来分析和设计天线。

在天线的等效电路分析中，首先需要确定天线的特征模。

特征模是一组描述天线特性的参数，通常包括天线的电感、电容和电阻。

这些参数可以通过测量天线的频率响应、输入阻抗和辐射模式等来获得。

一旦确定了天线的特征模，我们就可以将天线的电流和电压表示为特征模的组合。

根据特征模的定义，电流和电压可以通过特征模中的电感、电容和电阻来计算。

这使得我们可以使用电路分析的方法来分析和优化天线。

1.确定天线的特征模。

这可以通过测量天线的频率响应、输入阻抗和辐射模式等来获得。

2.将天线的电流和电压表示为特征模的组合。

根据特征模的定义，电流和电压可以通过特征模中的电感、电容和电阻来计算。

3.利用电路分析的方法来分析天线的性能。

可以使用各种电路分析工具和技术，如频率响应分析、输入阻抗分析和辐射模式分析等来评估和优化天线的性能。

4.进行天线设计和优化。

通过调整特征模中的参数，可以改变天线的性能，如增加天线的带宽、提高输入阻抗匹配和优化辐射模式等。

基于特征模理论的天线等效电路分析可以帮助我们更好地理解和优化天线的性能。

通过将天线表示为一个简单的电路模型，我们可以利用电路分析的方法来分析和设计天线。

这种方法不仅能够提高天线设计的效率，还可以更深入地研究天线的特性，为天线工程师提供更多的设计灵活性。

天线理论与设计基本概念波导理论是天线理论与设计的核心内容之一、波导是一种能够传输电磁波的结构，它包括导体壳体和介质。

波导理论研究在导体壳体内的电磁波传输问题。

波导理论研究的是电磁波在导体壳体内的传输模式、传输特性以及与界面的相互作用。

波导理论对于天线的设计与优化起着重要的指导作用。

辐射场理论是天线理论与设计的另一个重要概念。

辐射场是指天线辐射电磁波的空间分布。

辐射场理论研究的是天线辐射电磁波的传播方向、辐射功率以及辐射场分布特性等问题。

辐射场理论对于天线的辐射效率、方向性以及覆盖范围等方面进行了研究与分析。

天线参数是天线理论与设计中的基本概念之一、天线参数包括辐射功率、辐射效率、增益、方向性、驻波比等。

辐射功率是指天线辐射的功率大小，辐射效率是指天线将输入的电能转换为电磁波辐射的能量百分比。

增益是指天线辐射功率与单极点辐射功率之比，可以衡量天线输出信号强度的大小。

方向性是指天线在一些方向上辐射功率明显大于其他方向的性质。

驻波比是指天线输入端反射波与传输波之间的电压或电流的比值，是天线工作状态的一个重要参数。

天线理论与设计的基本概念还包括阻抗匹配、谐振频率、辐射模式等内容。

阻抗匹配是指将无源天线的输入阻抗与信源的输出阻抗匹配，以提高天线的工作效果。

谐振频率是指天线工作时的频率，是天线设计中的重要参数。

辐射模式是指天线在不同方向上辐射功率分布的形态。

综上所述，天线理论与设计的基本概念包括波导理论、辐射场理论、天线参数等内容。

这些基本概念对于天线设计优化、无线通信系统优化等具有重要的指导作用。

在实际应用中，需要结合具体的需求和条件，综合考虑各个参数与要求，进行天线的设计与调试，以提高天线的性能与可靠性。

天线原理与设计—第十三章计算方法和测量方法一、计算方法1.理论计算：(1)天线增益的计算：根据天线的辐射模式和辐射功率分布，可以采用积分方法来计算天线的增益。

(2)天线输入阻抗的计算：天线输入阻抗的计算通常使用线性切向电流天线模型或螺旋线天线模型，通过电场边界条件来计算天线输入阻抗。

(3)天线的方向图计算：根据天线的电流分布和辐射功率分布，可以通过积分方法来计算天线的方向图。

2.数值计算：(1)有限差分时间域(FDTD)方法：FDTD方法是一种数值计算方法，通过将空间分割成小立方体来离散化场的分布，并利用电磁场的时域麦克斯韦方程进行迭代计算，从而得到天线的电磁场分布和性能。

(2)方法不可逆特征边界条件(MNIBC)方法：MNIBC方法是一种适用于计算电磁波散射问题的数值方法，通过各向同性吸收边界条件和物理吸收边界条件来模拟仿真区域的边界。

二、测量方法1.增益的测量：(1)天线场测试的方法：利用天线场测试系统和天线场测试仪器，通过测量天线的辐射场强度来推算出天线的增益。

(2)环境排斥区测量法：通过将天线放置在天线排斥区，利用环境中的散射物或反射物的信号来测量天线的增益。

2.方向图的测量：(1)天线扫描方法：利用天线旋转或移动扫描来测量天线的辐射方向图。

(2)天线阵列方法：利用多个天线组成的天线阵列来测量天线的辐射方向图。

3.输入阻抗的测量：(1)逐步移相器法：通过改变馈电网络中移相器的相位，使得天线在不同频率下的阻抗匹配。

(2)S参数测量法：利用网络分析仪来测量天线的S参数，并通过计算来得到天线的输入阻抗。

总结：天线原理与设计中的计算方法和测量方法是天线工程中必不可少的内容。

通过理论计算和数值计算可以得到天线的增益、输入阻抗和方向图等参数，而天线的增益、方向图和输入阻抗可以通过测量方法来验证。

这些计算方法和测量方法对于天线性能的评估和优化非常重要。

宽带圆极化天线设计探究摘要：圆极化天线相比于线极化天线具有减少极化不匹配、降低多径干扰和遏抑法拉第旋转效应等优点，因此，本文旨在对低剖面宽带圆极化天线进行研究，以满足先进移动通信和卫星通信等系统的需求，该研究具备广阔的应用前景。

关键词：宽带圆极化；天线设计；1 宽带圆极化天线优势分析1.1圆极化天线可以有效降低多径干扰效应带来的影响在电磁波的传播路径中，除了空气之外还存在大型建筑、地面和高山等物体，当电磁波遇到这些物体后会发生反射和透射等现象，电磁波的强度、方向和极化等属性可能会发生一定的改变。

这些电磁波的变化都会对无线通信系统的传输质量造成一定的影响，使信息的有效传递面对极大的挑战，相对于线极化天线，圆极化天线可以很好的应对这些挑战。

1.2圆极化天线可以有效降低法拉第效应带来的影响在卫星通信中，当电磁波穿过电离层时，电离层中离子化的带状区域会使电磁波的极化角度发生偏转，对低频工作的电磁波影响尤为明显。

这种极化角度的偏转对线极化电磁波的影响是巨大的，很有可能导致线极化的接收天线无法有效的接收信号，而圆极化电磁波由于其自身具有自旋方向的原因，可以极大的减少法拉第效应对其的影响。

1.3 圆极化天线可以有效的应对极化失配现象以提高信号质量在天线装配过程中，线极化天线需要严格的进行固定角度的装配，而圆极化天线在装配过程中，发射天线和接收天线之间不需要严格的按照角度进行装配。

这是因为线极化天线如果没有按照固定角度进行装配时，天线工作过程中会出现极化失配的现象，导致信号质量变差甚至无法接收信号，而圆极化天线由于其具有自旋的特点，则不需要特别担心这个问题。

圆极化天线可以有效的应对极化失配现象以提高信号质量。

因为圆极化电磁波可以分解为两个相互正交的线极化波（振幅相同，相位正交），即圆极化电磁波可以由两个相互正交的线极化波组成。

因此，圆极化天线可以有效的对线极化电磁波进行接收，从而在一定程度上减弱天气和多径反射等干扰，广泛的应用于雷达和卫星等通信系统中。

天线是能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。

对于射频系统而言,天线起到了“能量转换”的作用,通过辐射和接收电磁波,完成传输线上的导行波与空间里电磁波的转换。

能量转换的效率跟天线频率、阻抗匹配、增益等参数息息相关,合适的天线可以使通信距离达到最佳状态,提高通信的可靠性。

本文分别完成了基于TRF7970A 的无源RFID 系统读写器部分和标签部分天线的设计。

1天线设计原理RFID 系统根据工作频率可分为低频系统(125kHz )、高频系统(13.56MHz )、超高频系统(433.92MHz 、850MHz~928MFz )和微波系统(2.4GHz 、5.8GHz )。

本设计采用的TRF7970A 射频芯片工作频率在13.56MHz ,通过电磁耦合方式的方式通讯。

在高频无源RFID 系统中,常常会使用一些可靠、低成本的天线。

本文中使用的是常见的线圈天线,有着成本低、适用范围广的特点。

天线的特征模理论可以清晰地表示出天线的特征输入导纳,那么集总元件等效电路就都能用RLC 电路表示[1]。

将天线线圈并联或者串联电容组成LC 谐振电路,谐振电路的谐振频率即为天线工作频率。

根据以下汤姆逊公式可知在13.56MHz 的谐振频率下,为了保证匹配电容不至于过小而难以获得,天线的线圈电感值宜取1~2μH 。

f=12πLC√(1)2读写器天线及匹配滤波电路设计读写器控制芯片采用TI 公司的耐高温超低功耗单片机MSP430F2370,射频前端芯片采用TRF7970A 。

TRF7970A 芯片是TI 公司推出的一款工作于13.56MHz NFC /RFID 系统的集成式模拟前端(AFE )和多协议数据组帧器件,耐温可高达110℃,支持ISO /IEC 14443-A /B 、ISO /IEC 15693以及Tag-it 等协议[2],可完成硬件编码解码、调制解调、组帧分析等数字处理功能,避免软件部分在单片机中编写协议栈,降低了系统的复杂度。

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基于特征模理论的系统天线设计方法一、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。

基于特征模理论的天线等效电路分析Altair2015技术大会论文集Analysis For Circuit Equivalent Modal Of AntennaBased 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 passfilter 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。

NFC天线原理及其设计（以RF430FRL152H为例）对于NFC系统⽽⾔，天线具有⽆线能量转换和⽆线数据通信的作⽤。

如果天线设计且制作的严谨，就能够使得通信距离与通信效果获得⽐较完美的状态，这样能够提⾼NFC两端在通信过程中的安全性与稳定性[13]。

RF430FRL152H射频通信接⼝基于NFC的ISO15693协议。

它⽤于读写器到标签的通信，以及26 kbit/s的标签到读写器的通信。

图 RF430FRL152H射频通信接⼝（图源TI）Fig. RF430FRL152H RF communication interface射频芯⽚与外界的接⼝是与天线连接的接⼝。

NFC芯⽚的两个引脚可以连接到天线，从天线调谐来的能量从引脚进⼊芯⽚内部，在芯⽚内部电路进⾏整流稳压之后供给外部电路使⽤。

天线的⼤⼩和相关参数取决于应⽤中实现的要求，⽐如通信距离等。

见图，利⽤外部天线（电感L）、⽚内谐振电容器(CINT)产⽣谐振。

必要时还需要⼀个外部电容器CEXT。

外部谐振电容器⼀般要加上，以允许较低电感天线(L<3.8µH)的天线电感变化。

由天线的特征模理论，天线及其匹配电路元件的等效电路就都能⽤RLC电路很好的表⽰出来。

谐振频率采⽤以下公式计算。

f=1/(2π√LC)其中，L为天线电感，C为总谐振电容值（C=C_INT+C_EXT）， f为谐振频率。

在NFC芯⽚内部已经有⼀个⽚内谐振电容。

⽚内谐振电容与天线引脚ANT1和ANT2并联，与连接在ANT1和ANT2引脚上的天线组成⼀个谐振电路。

⽚内谐振电容值的误差范围为10%。

为了获得最佳性能，⽚上电容和外部电容与天线电感谐振之后推荐的⼯作谐振频率（f）约为f≈13.7 MHz。

为了稳定运⾏，超出该范围的谐振电路会导致性能下降。

对于NFC标签端，所设计的PCB天线的典型电感值为1.8uH，为了保证天线的匹配与良好的性能，在经过计算并且去除⽚内谐振电容值，则在⽚外仍然需要32pF的谐振电容。