基于特征模理論的縫隙寬帶天線設計

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構進行設計，并利用特征模態理論優化天線結構，然后在該基礎上根據結構特征及電流分布情，在多個模態特征電流相似區域設置天線饋源，以形成所需的目標模式，最后得到多模諧振，提高縫隙天線帶寬。多數天線都是由長矩形縫隙和對稱圓形縫隙（主要地鑲嵌于兩側），饋源的設置則在處于非對稱矩形縫隙槽中。為進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、結構簡單），分析了基于特征模理論的縫隙寬帶天線設計。

關鍵詞：特征模理論：縫隙寬帶天線;設計分析

特征模理論在縫隙寬帶天線設計中的應用原理在于通過分析天線特征值將表面電流分解成對應的特征電流，然后根據不同特征模式對應特征值的大小，對可特征模式輻射能力進行強弱判斷，最后結合輻射能力設計不同信號強度的縫隙寬帶天線。很多文獻顯示，特征模理論的應用不僅能夠降低縫隙寬帶天線設計難度，還能夠完善縫隙寬帶天線結構，并優化縫隙寬帶天線功能，讓縫隙寬帶天線符合我國通信系統信號管理要求，提高無線通信系統的信號處理能力，最終促進通信行業健康發展，由此可見特征模理論的重要性[1]。對此，下文先簡單概述了特征模基本理論及計算公式，然后在該基礎上分析了縫隙寬帶天線設計中特征模理論的具體應用。

1特征模基本理論及計算公式

特征模理論最早在1968年由Garbacz提出，由Harrington等結合矩量法完善特征模理論體系，不僅能夠處理電解質方面的問題，還能夠處理磁介質及電磁性等方面的問題，已經被應用于電磁仿真軟件開發、無線通信系統構建及縫隙寬帶天線設計等領域，如果與數值矩量法結合，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，能夠將天線結構工作機理明確展現出來，同時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，所以相關科研技術人員都會基于特征模理論去設計和開發縫隙寬帶天線。 基于矩量法（MoM）的特征模理論，可通過廣義特征值方程計算出縫隙寬帶天線設計參數，相關方程及公式如下：

式中：特征電流的特征值用表示;

阻抗矩陣用Z表示，相關計算公式為：

式中的R表示電場積分方程阻抗的實部，而X則表示電場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=1時，儲能只與有關，越接近于 0則表示此模式在此頻率下越接近諧振;當>0時表示該模式在此頻率下儲存磁能感性;當<0時表示該模式在此頻率下存儲電能呈容性[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算出輻射潛力，用Modal Significance （MS）表示，具體計算公式如下：

MS的范圍取值設置在0～1;當MS≥0.7時，≤1，適合輻射模式激勵;當 MS=1時，在此頻率下該模式發生諧振。

2天線結構及模式設計

本文根據以上特征模理論及計算方程設計了一款寬頻帶窄縫隙微帶天線，據了解該天線印制的相對介電常數設計為4.4，損耗角正切設計為0.03且在FR4介質基板上，尺寸為95mm×95mm×0.8mm，天線的圓形縫隙、長矩形縫隙都呈現出對稱特點，圖中的w表示縫隙寬度，L、r、S、g則表示其他長度。

根據特征電流分布、多模諧振思想，在距離圓心S的非對稱位置接上標準為50Ω的饋線，以產生更多電流諧振回路，將潛在模態激勵出來，進而形成多模諧振，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的支持下進行優化并確定最優天線結構參數。

天線結構設計流程及天線結構模式見圖1和圖2，本文設計的天線結構模式有三種，每種結構在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屬于簡單模，見圖2（a）;模式6則屬于高次模，很難被激勵，故不宜產生諧振，所以可通過前5種模式來分析寬帶天線特性。當模式1、模式2、模式4靠得很近時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，結構三的前六種模式難以被激發，但如果模式5向模式4靠攏則會激發模式1、模式2、模式4、模式5時，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仿真優化天線的尺寸W、r、L、S，經過反復嘗試得出最佳的饋電點位置為S=5mm;當W=1.8mm時，天線存在較好寬頻帶回波損耗參數，同時保證天線的窄縫特性;r=26mm時，天線呈現多諧振特點且回波損耗較小，帶寬范圍較大;當L=91mm時，天線的帶寬最理想，最佳尺寸的具體參數見1。

根據表中參數計算出最佳的天線電流范圍。

3實物加工與測試

依據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矢量網絡分析儀測試實物天線的回波損耗，測試結果顯示阻抗帶寬范圍為1.09～2.79GHz，相對帶寬為87.60%，所設計的天線回波損耗仿真曲線和測試曲線基本吻合，證實了天線設計的正確性[5]。

測試結果還顯示，隨著頻率的升高旁瓣、交叉的極化現象也就越明顯，如果天線饋電結構的工作頻帶較寬且不對稱時還會導致電流分布、不對稱等問題發生，降低天線的使用價值及性能，但總體來說，本文設計的天線主輻射性能在帶寬范圍內能夠麻醉各種場景通信需求。

結語

總之，特征模理論已經在縫隙寬帶天線設計領域得到了應用，并取得了良好的應用效果，能夠幫助相關技術研發人員設計、開發出更高性能、結構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獲取信號的技術支持，即很多無線通信系統都通過縫隙寬帶天線獲取信號，然后對信號進行歸類、處理，最終提取有用信號。本文設計的縫隙寬帶天線是由長矩形縫隙和對稱圓形縫隙構成，結合多模諧振思想、非對稱饋電方式，能夠將潛在模式激勵出來，從而獲得更寬天線帶寬。還可以利用電磁仿真軟件HFSS15.0優化該天線，以擴大帶寬范圍的同時，提高天線輻射性能。