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基于特征模理论分析的超宽带小型化准八木天线设计

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微波学报 2024年第2期40卷 8-13页

作者：廖国君姜兴孙逢圆彭麟桂林电子科技大学信息与通信学院桂林541004

文中设计了一款超宽带准八木天线。根据特征模理论对传统的准八木天线进行分析,并结合天线理论,在不改变天线原有尺寸的情况下,通过采用弯折、切槽等技术,增大了电流路径,拓宽了低频的工作带宽。天线尺寸为0.256λ_(0)×0.256λ_(0)×0.... 详细信息

文中设计了一款超宽带准八木天线。根据特征模理论对传统的准八木天线进行分析,并结合天线理论,在不改变天线原有尺寸的情况下,通过采用弯折、切槽等技术,增大了电流路径,拓宽了低频的工作带宽。天线尺寸为0.256λ_(0)×0.256λ_(0)×0.002λ_(0)(λ_(0)为最小工作频率所对应的波长),工作带宽为0.78 GHz~1.58 GHz。与初始天线相比,相对带宽从32.0%提高至67.8%。通过前后比可以看出,天线具有良好的定向性能,可以满足人脑探测活动的需求。

关键词：特征模理论超宽带小型化准八木天线

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基于特征模理论的输电线路铁塔无源干扰研究

高电压技术 2023年第6期49卷 2598-2606页

作者：黄力唐嘉晖唐波张建功赵志斌陈新宇三峡大学电气与新能源学院宜昌443002 中国电力科学研究院有限公司电网环境保护国家重点实验室武汉430074 华北电力大学电气与电子工程学院北京102206

输电线路铁塔作为大型金属导体会对邻近的无线电台站产生干扰现象,其主要是由输电线路铁塔受无线电激励在金属表面产生感应电流,进而形成电磁散射场引起。为了抑制输电线路铁塔的无源干扰影响,提出使用特征模理论对输电线路铁塔进行分... 详细信息

输电线路铁塔作为大型金属导体会对邻近的无线电台站产生干扰现象,其主要是由输电线路铁塔受无线电激励在金属表面产生感应电流,进而形成电磁散射场引起。为了抑制输电线路铁塔的无源干扰影响,提出使用特征模理论对输电线路铁塔进行分析。首先根据特征模理论计算,得到若干个特征模式。然后依据特征模式的模式显著性提出对特征模式的模式选择方法,采用矩量法与该方法的计算结果对比,验证了所提方法的可行性。最后通过特征模式电流密度的分布情况,对鼓型塔的全横臂细节锥形模型横担半径、横担长度、塔身半径等本体结构特征与无源干扰之间的关联特性进行分析。结果表明,鼓型塔的结构特征中对无源干扰影响最大的是塔基座、中间塔杆和低处横担,调整结构前后使得观测点处无源干扰大小减小了17%,抑制了输电铁塔的无源干扰能力。论文为输电线路的主动防护措施的制定提供指导和理论依据。

关键词：特征模理论模式选择模式电流无源干扰结构特征输电线路铁塔

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特征模理论在高隔离MIMO天线设计中的研究与应用

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特征模理论在高隔离MIMO天线设计中的研究与应用

作者：孙以天安徽大学

学位级别：硕士

在过去的十年中,随着手机等移动终端的迅速发展,人们的需求也越来越多样化,如何提高移动通信系统的信道容量和频谱效率成为一项颇具挑战的任务。多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)技术的提出有效地解决了这一问题。然... 详细信息

在过去的十年中,随着手机等移动终端的迅速发展,人们的需求也越来越多样化,如何提高移动通信系统的信道容量和频谱效率成为一项颇具挑战的任务。多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)技术的提出有效地解决了这一问题。然而随着移动终端的集成化发展,多副天线集成在有限空间内会使得彼此间的耦合很大,将会导致MIMO系统阻抗匹配及分集性能较差。近几年,利用特征模理论设计具有高隔离度的MIMO天线成为一大热点,它可以从物理层面上分析天线的辐射机理从而对天线设计提供有效的指导。本文主要工作内容可概括如下:1、简要介绍了特征模理论的发展和应用及MIMO天线相关参数,为接下来的研究奠定了基础。通过电场方程推导出了理想导体的广义特征值问题,验证了特征电场及特征电流间的正交性。最后推导了相关特征参量并介绍了它们的物理含义。2、基于特征模理论分析设计了两款利用中和线实现高隔离的双频MIMO天线。首先通过对初始天线结构进行特征模分析,识别出天线的显著模式,然后观察显著模式的电流流向,定义耦合模式和非耦合模式。根据耦合模式的电流流向,可以定性地确定中和线的形状和加载位置,接着通过仿真软件对关键参数进行扫描优化最终定量地确定中和线的具体参数。相比较于传统的中和线设计方法,利用特征模进行中和线设计可以节约大量时间。实测结果与仿真结果近乎一致,结果表明天线获得了约20 d B的隔离度改善。为MIMO天线中和线的设计提供了一种新的思路。3、基于特征模理论设计了两款手机天线,天线没有额外的解耦结构却实现了较高的隔离度。传统的利用特征模理论去设计高隔离MIMO天线的方法是让不同的MIMO端口激励不同的模式从而使得隔离度较高。但是当同时激励起多个模式时,这种方法通常难以实现。针对以上情况本文研究了一种不同的设计方法。通过理论分析,可以根据模式加权系数的相位将端口激励出的相同模式分为同相模式和异相模式,当两类模式的激励程度达到一定的要求时,天线能够实现较好的隔离度。根据以上方法先设计了一款两端口MIMO天线,实现了30 d B的隔离。然后在以上两端口天线的基础上,利用模式的正交性设计了天线单元3,最终设计的三端口MIMO天线具有较高的隔离度。

关键词：特征模理论 MIMO天线高隔离度正交模式

基于特征模理论分析的超宽带小型化准八木天线设计

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微波学报 2023年

作者：廖国君姜兴孙逢圆彭麟桂林电子科技大学信息与通信学院

设计了一款超宽带准八木天线。根据特征模理论对传统的准八木天线进行分析，并结合天线理论，在不改变天线原有尺寸的情况下，通过采用弯折、切槽等技术，增大了电流路径，拓宽了低频的工作带宽。天线尺寸为0.256×λ00.256λ0×0.002... 详细信息

设计了一款超宽带准八木天线。根据特征模理论对传统的准八木天线进行分析，并结合天线理论，在不改变天线原有尺寸的情况下，通过采用弯折、切槽等技术，增大了电流路径，拓宽了低频的工作带宽。天线尺寸为0.256×λ00.256λ0×0.002λ0(其中λ0为最小工作频率所对应的波长)，工作带宽为0.78 GHz～1.58 GHz，相对于初始天线，相对带宽从32.0%提高至67.8%。通过前后比可以看出天线具有良好的定向性能，可以满足于人脑探测活动的需求。

关键词：特征模理论超宽带小型化准八木天线

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基于特征模理论的天线研究与设计

基于特征模理论的天线研究与设计

作者：丁昶中南大学

学位级别：硕士

随着无线通信技术的蓬勃发展,天线的应用场景日益复杂、多样化,这对天线的性能也提出了更加差异化的需求。而使用特征模理论指导天线设计,从清晰简洁的物理认识出发,可以提高效率,为天线提供一种简单且直观的设计思路。基于以上背景,本... 详细信息

随着无线通信技术的蓬勃发展,天线的应用场景日益复杂、多样化,这对天线的性能也提出了更加差异化的需求。而使用特征模理论指导天线设计,从清晰简洁的物理认识出发,可以提高效率,为天线提供一种简单且直观的设计思路。基于以上背景,本文重点研究了特征模理论结合新兴超材料技术和互补天线思想两个方面的具体应用。主要工作与创新如下:(1)将特征模理论与新兴超材料技术相结合。设计了一款应用于C波段卫星通信的小型线转圆极化超材料天线。利用等效电路原理和特征模式分析解释了超表面单元设计与产生圆极化波的机理。最终制作了总尺寸为36 mm×36 mm×3.5 mm(约0.65λ×0.65λ×0.06λ)的天线模型。实际测量结果显示该天线的S带宽为39.25%(4.28～6.37 GHz),3 d B轴比带宽为17.77%(5.18～6.19 GHz)。所提出的圆极化超材料天线结构紧凑,具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽,在卫星通信领域有着广阔的应用前景。(2)将特征模理论与互补定向天线思想相结合。提出了一种抑制后瓣辐射,实现心形辐射的新方法。通过特征模式分析,激发并重构等腰直角三角形导电板的互补电流模式,实现了电偶极子和磁偶极子的同时辐射。通过重复利用同一辐射孔径,即可实现定向端射,前后比大于20 d B。而传统互补定向天线则需要至少两个辐射源来分别实现电偶极子和磁偶极子的辐射。所提出的新方法也适用于其他类型的辐射体,为调控天线的辐射模式、定制不同的辐射性能提供了独特视角。图48幅,表2个,参考文献66篇

关键词：特征模理论超材料圆极化天线模式控制定向天线互补天线惠更斯天线

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基于特征模理论的宽带圆极化超表面天线研究

基于特征模理论的宽带圆极化超表面天线研究

作者：常金帅桂林电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线技术的高速发展,天线作为无线通信中电磁波的收发设备,其设计技术也在不断革新。在众多天线类型中,超表面天线以其低剖面、易加工、低损耗等优点,受到工业界以及科学界的广泛关注。与传统的有源设计方法不同,特征模分析（Charac... 详细信息

随着无线技术的高速发展,天线作为无线通信中电磁波的收发设备,其设计技术也在不断革新。在众多天线类型中,超表面天线以其低剖面、易加工、低损耗等优点,受到工业界以及科学界的广泛关注。与传统的有源设计方法不同,特征模分析（Characteristic mode analysis,CMA）可以直观地研究辐射体的特征模式和辐射特性而无需加载馈电,因此更加高速与高效。本文旨在研究如何通过特征模分析对超表面结构图案化研究,以实现对电磁波的灵活调控,实现天线宽带宽、低剖面、辐射方向稳定等特点。具体研究内容如下:1、基于特征模理论（Characteristic mode theory,CMT）设计了一个截断型环形口径耦合馈电的超表面圆极化天线。该天线采用尺寸非一致的4×4超表面阵列作为辐射结构,并采用截断型环形口径耦合馈电结构。馈电网络是由截断型环形缝隙与微带线组成,它不仅可以激励一对电流相互正交、辐射特性一致、宽带特性的特征模式,还为这对模式提供了90°的相位补偿。这种天线结构实现了向+z方向定向辐射右旋圆极化波（Right-hand circularly polarized,RHCP）的目的,该圆极化天线的工作带宽为24.14%（6.2-7.9GHz）,在工作带宽内,增益达7.7-9.5 d Bi,并且带内辐射效率高达94%。该天线的工作频段属于ITU-R的S频段,并具备低剖面、高辐射效率、宽带等优点,可以用于无线局域网、物联网、卫星通信、雷达等领域。2、基于特征模理论,提出了一种加载电容式十字型口径耦合馈电的四模工作方法,以增加圆极化超表面天线工作带宽。该方法涉及四个不同的模式,这四个模式分别由辐射贴片提供的两个谐振频率相对较高的正交特征模和馈电结构提供的两个谐振频率相对较低的正交磁模所产生,两两相邻的四个模式间可以形成三对产生圆极化辐射波的模式对,因此,有效的拓展了圆极化天线的带宽。基于上述方法,我们设计了一个适用于Wi Fi 7频段的口径耦合馈电的四模宽带圆极化超表面天线,并对仿真的天线模型进行加工与测试。制作的总体尺寸为40mm×40mm×4mm（0.90λ×0.90λ×0.09λ,λ是中心工作频率为6.8GHz时的波长）。测量结果表明S11<-10d B带宽为5.75-7.80GHz（30.26%）,轴比（Axial ratio,AR）<3d B带宽为5.75-7.80GHz（30.26%）。在工作带宽内,该天线产生了良好的左旋圆极化辐射,增益的变化范围为5.7至8.7d Bi并且辐射效率高达85%以上。同时,工作频率完全覆盖6-GHz频段（5925MHz-7125MHz）,在该频段内,增益和总辐射效率分别达7d Bi和95%以上,适用于未来的Wi Fi 7场景。

关键词：超表面圆极化天线特征模理论宽带多模

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基于特征模理论的方向图可重构天线设计

基于特征模理论的方向图可重构天线设计

作者：田敏敏安徽大学

学位级别：硕士

在当今先进的移动通信中,用户对高速率数据传输的需求越来越大,同时对无线通信设备的要求也越来越高。为了满足人们对通信日益增长的需求,可重构天线由此诞生。它能够在不增加天线数量的情况下,实现多个天线功能的叠加,优点众多。而且... 详细信息

在当今先进的移动通信中,用户对高速率数据传输的需求越来越大,同时对无线通信设备的要求也越来越高。为了满足人们对通信日益增长的需求,可重构天线由此诞生。它能够在不增加天线数量的情况下,实现多个天线功能的叠加,优点众多。而且能够根据通信系统的需求来改变它的工作带宽、工作频率、极化方式或辐射方向图等。其中,方向图可重构天线具有多种不同的辐射方向图和工作状态,能够使天线具有良好的信道容量和较高的安全性等优点,因此,它的应用前景非常广阔。本文利用特征模理论(TCM)设计了两种新型的方向图可重构的天线。具体工作如下:(1)方向图可重构天线设计。基于TCM,提出一种在3.5 GHz时具有两种不同工作状态的方向图可重构天线。该天线由十二个矩形金属贴片作为辐射体和一个带有二极管的馈电结构组成。在工作频带内通过调节二极管的状态,可以激励两个不同的模式,实现两种不同的辐射方向图,进而实现可重构天线的两种可能的工作状态。仿真结果表明该方向图可重构天线在两种状态下方向图的最大辐射增益都在11.8 d Bi以上。(2)方向图可重构的双端口MIMO天线设计。利用TCM,设计了一种新型的方向图可重构两端口的MIMO天线系统,该系统在2.45 GHz时具有四种工作状态。该天线由辐射贴片、六个激励单元和馈电网络组成。在设计频段内,采用矩形金属贴片作为辐射体,六组平衡电感激励单元(BIEs)可以有效地激发四种特征模式,且激励纯度较好,能够实现较高的隔离度。设计了一个与两个端口连接的并由四个开关控制的可重构馈电网络用来给BIEs馈电。通过控制四个开关的(开/关)状态,馈电网络可以产生四种不同的激励配置组合,进而实现可重构双端口MIMO天线的四种可能的工作状态。此外,由于特征模式的正交性,该方向图可重构MIMO天线在四种工作状态下的辐射方向图都是正交的,所提出的MIMO天线的隔离度性能优于36 dB。

关键词：特征模理论方向图可重构天线 MIMO

基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线关键技术研究

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基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线关键技术研究

作者：杨子健电子科技大学

学位级别：硕士

米波波段相控阵雷达是应对隐身技术最有前途的技术之一,也是远程雷达探测的有效手段,在不同领域中有着广泛的应用场景。低频段平台集成天线的低剖面、共形化设计也是当今天线研究领域的热点需求,由于相控阵天线在天线尺寸与辐射性能之... 详细信息

米波波段相控阵雷达是应对隐身技术最有前途的技术之一,也是远程雷达探测的有效手段,在不同领域中有着广泛的应用场景。低频段平台集成天线的低剖面、共形化设计也是当今天线研究领域的热点需求,由于相控阵天线在天线尺寸与辐射性能之间矛盾,其设计面临着天线单元小型化和高增益等诸多挑战。本文从实际工程需求出发,提出了一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线设计方法。首先本文介绍了金属体的特征模理论及相关参量的物理意义,因为特征模式与外在激励无关,可看作电磁目标本身的一种与结构和材料有关的固有属性,以便于在明确物理意义的前提下研究电磁目标本身固有的辐射机理和谐振特性。对飞艇平台结构在相应频率进行特征模分析,求解出平台本身的辐射模式与谐振特性,然后提取出显著模式的特征电流和特征远场,其中模式的远场特性包含了各个极化分量,为波束综合与共形阵设计提供理论指导与基础数据。然后本文提出了一种利用特征模式的显著模式综合扫描方向图的方法。显著模式具有部分定向的特征,但单个模式无法满足预期的高指向性的波束扫描要求,因此需要通过多个模式的加权组合来实现目标方向图。采用基于分解的多目标进化算法（MOEA/D）进行方向图综合,在方向图综合中考虑了波束扫描能力和极化特性,通过在帕累托沿上的解中合理选择,找出一组模式电流分布符合工程设计的综合方向图,以指导所设计耦合线激励结构的放置位置。最后本文完成了飞艇平台米波共形相控阵的设计并进行了实验验证。基于特征模理论的扫描阵列天线设计方法合理使用飞艇平台部分结构作为辐射口径,平台的存在不仅不会使天线辐射特性恶化,反而可以带来有利影响,使得辐射孔径最大化。实现了飞艇平台两侧各60°范围的波束扫描,不同扫描角度下可实现增益均大于10d Bi。

关键词：平台集成天线特征模理论扫描阵列天线

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基于特征模理论的天线方向图研究

基于特征模理论的天线方向图研究

作者：李文聪大连理工大学

学位级别：硕士

信息化时代的到来使设备对于通信质量的要求逐渐增加,为了提高数据传输速率,多输入多输出(MIMO,multiple-in multiple-out)天线手机对低相关度的多天线提出了很高的要求。特征模理论有着清晰的物理概念,从天线的工作机理出发,根据各个... 详细信息

信息化时代的到来使设备对于通信质量的要求逐渐增加,为了提高数据传输速率,多输入多输出(MIMO,multiple-in multiple-out)天线手机对低相关度的多天线提出了很高的要求。特征模理论有着清晰的物理概念,从天线的工作机理出发,根据各个特征模式具有相互独立的特点,可以实现指定辐射远场的激励。本文通过对超薄金属基板加载边框的特征模式分析,首次设计了2.4 GHz全圆辐射方向图四天线系统。在两个主平面上,增益变化仅为3.4 d B和3.6 d B。天线间的隔离度在15 d B以上,相关度在0.01以下。保持完整的地平面和2毫米的小净空部分。然后利用金属基板与边框间的净空部分设计了八端口天线系统。八个天线单元的谐振频率为2.4 GHz,天线带宽为90 MHz,天线之间的相关性保持在0.07以下。制作天线系统物理模型并进行实验验证,测量结果与仿真结果吻合良好。本文还基于特征模理论,研究了单天线的辐射方向图综合算法,通过目标辐射方向图求解天线的馈电信息。首先根据两个天线远场间相关性系数的计算公式,推导出模式权重的计算公式,从而得到特征模式远场在总远场中的模式权重系数。然后采用压缩感知算法对天线馈电求解结果进行优化,得到一套完整的辐射方向图优化算法。将此算法应用在舰船三维天线结构,综合得到的辐射方向图与目标辐射方向图相关性系数达到0.71,表明二者具有高相关性,该算法具有应用潜力。本文基于特征模理论对手机天线和舰船天线进行了方向图的研究,分别实现手机MIMO天线全圆方向图的构建,以及低仰角全向性舰船天线的方向图综合。尽管二者体积相差较大,特征模理论的特性仍然是研究天线方向图的有力工具。

关键词：特征模理论手机天线 MIMO天线方向图综合