贴片天线特性模式分析及其应用

学天线是干货天线技术的一个栏目，以天线仿真调试为主，理论原理为辅，包括天线入门知识、各种天线原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如果想看内容或者技术问题，可以在文末写留言。

摘要：

本征模理论由加尔巴茨在1968年的博士论文中提出，并于1971年由哈灵顿发展为一种普遍的经典形式。矩量法结合解析本征模理论是一种广泛应用于解决电磁问题的新方法，它为天线设计者提供了一种优化的天线设计方法。

本文使用的软件是CST 2018

0 1本征模理论的背景

由于早期计算机的计算能力和内存的限制，本征模理论在天线中的应用还没有引起广泛的关注。随着电子信息的快速发展，许多基于矩量法、有限元法和时域有限差分法(FDTD)的仿真软件被广泛应用于天线设计中。

然而，调整天线结构和馈电位置在很大程度上取决于设计者积累的经验和知识。初学者开玩笑说自己进入了一门“玄学”课程。初次接触天线的工程师经常使用电磁仿真软件对天线性能进行仿真，很多时候在盲目的参数调整过程中也是情不自禁。因此，工程师们寻求许多现代进化优化算法，如遗传算法，以减少天线调试和优化的繁重工作量。在这种情况下，天线设计通常被认为缺乏科学的理论和逻辑。因此，过分依赖这种蛮力技术并不是天线设计的好方法。

以下是功能模式的定义：

基本假设是，任何物体的散射或辐射模式是模态模式的线性组合，以其形状为特征，并在终端(物体充当辐射器)或通过入射场(物体充当散射体)受到不同程度的激发。

基本假设是，任何物体的散射或辐射模式都是模态模式的线性组合，其特征在于其形状，并在终端(物体充当辐射体)或入射场(物体充当散射体)受到不同程度的激发。

假设物体上的电流分布被分解成无限个模态电流，每个模态电流辐射一个独立于所有其他模态的特征模态模式。

假设目标物体上的电流分布被分解成无穷多个模态电流，每个模态电流辐射一个独立于所有其他模态的特征模态。

在不考虑馈电结构的情况下，我们可以借鉴波导中的TE10、TE11等正交模，给出任意形状金属结构的全部完整正交辐射模，我们称之为“特征模”。

0.2特征模式的理论公式

以下是陈教授——《特征模态：理论及其在天线工程中的应用》一书的相关理论内容简述：

本征模理论的几个重要定义如下：

模权系数：表示在外电源激励下，模#中的电流对总电流的贡献，与导体本身和外电源有关；

模式激励系数：表示第一种模式下某一激励源与电流的耦合程度。耦合度越高，外部源下的电流贡献比例越大；

模式特征：只与导体本身有关，与来源无关；

特征角：表示模式电流的正切分量与天线表面的模式电场之间的相位差。

在很多情况下，研究模态的特性是非常方便的，其取值范围为0~1。越接近1，它的重要性就越大，也就越容易兴奋。此外，研究模式的特性也为估计每个特征模式的工作带宽提供了一种方便的方法。

当模式处于共振时，偏离共振频率的高频和低频分别为和。如果满足这些条件(左右滑动查看下面的所有公式):

该模式的工作带宽(BW)可通过下式获得

本次仿真在CST 2018，M-Solver(多层解算器)下进行，仿真频段为5~6.5GHz。

需要注意的是，在求解特征模式时需要将素材设置为无损！否则，将出现以下错误：

特性模式分析不支持损耗材料。

这里，我们将基板(介电常数2.2，厚度1毫米)和贴片的尺寸设置为相同的尺寸(20.45毫米16.9毫米)，而不设置地板。

边界条件设置如下：

将补片的下部设置为电动(Et=0)，其他表面打开(增加空间)。模拟的质谱结果如下：

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在5-6.5GHz内，该贴片仅有一个模式能被显著激励起来，而且带宽比较窄，这与微带贴片天线的窄带宽特性比较贴合。接下来查看三种模式的电流分布和远场方向图特性：

模式的电流分布

模式的远场方向图

对于贴片天线，其带宽理论上是可以通过增加基板厚度来实现，于是在CST中增加基板厚度至1.5mm，谐振频率往低偏移，而且带宽拓宽了。

相比于在电磁软件中一口气将天线和馈电结构全部参量化建模，然后再暴力扫参调试，特征模理论在一定程度上给我们指明了一条理论指导实践的路。先仿真给定导体和介质下的宽频带内的MS结果，根据需要选取合适的模式进行激励，这样比暴力优化相比就显得科学化了。

举一个最简单的例子，贴片天线开槽和变形进行频带的拓宽，如果只是建模完后把调试任务交给Optimizer，整个求解任务费时费力。如果先进行特征模式的仿真，组合几个邻近特征模式，通过选取合适的馈电位置和馈电方式来激励多模，即可实现宽带特性。

优化好导体形状后再找合适的位置进行馈电、激励，一定程度上也对调试工作进行了规范化。

编辑：jq