（无线电物理专业论文）特征模理论及其在方向图可重构天线研究中的应用.pdf

呈薹型堡查兰堡圭鎏兰 中文摘要 本文工作主要围绕电磁场中的特征模理论及其在方向图可重构天线的分析 与设计中的应用进行。 第一章概述了方向图可重构天线的研究背景和国内外研究现状。概述了本论 文的工作和贡献。 第二章介绍了一种以等效原理为基础分析微带结构的方法等效体、面电 流积分方程方法。用等效表面电流分布取代金属导体的影响，用等效体极化电流 分布取代介质体结构的影响，在介质体和金属导体各分界面应用相应的边界条件 建立积分方程，利用矩量法求解整个微带结构的电流分布。 第三章介绍了导体的特征模理论，并探索了一种根据激励因子来激励特征模 的方法。经典特征模理论提供了一套在导体表面形成加权正交系的特征电流，在 无穷远球面上形成正交系的特征场。在辐射和散射问题中用特征模作为展开基函 数，能够将阻抗矩阵对角化。对于电尺寸较小的导体，只需要少数几个模式就能 够表征该导体的电磁特性。 第四章提取了高隔离度两端口分集线天线的前五个特征电流分布及相应的 特征方向图。两端口电流的特征模展开系数表明。天线的电流分布和方向图可以 通过特征模式1 和特征模式2 的加权叠加近似得到。根据激励因子能够激励起特 征模式l 和特征模式2 。 第五章提出了一种方向图可重构平面分形天线。天线顶部的分形贴片面积为 1 5 m m 1 5 m m ( 在工作频率为8 4 g h z 时，小于0 5 2 o 5 五) 。仿真和测量的结果 均显示，通过改变m e m s 开关的连接状态，这个方向图可重构天线具有四个可 控制的开关方向图，分别位于x z 、p z 上半平面的左右两边。利用特征模理论对 该天线的可重构性进行了分析，分析表明天线的方向图可以通过四个关键的特征 方向图加权叠加来近似。同时，特征电流的分布揭示了所用探针为什么能够有效 地激励起这四个特征模式。 第六章计算了有限地板方形贴片天线的特征模式，并进步探讨了天线结构 尺寸对特征模的影响。通过对特征模式1 、1 2 移特征模式4 的激庶，获得了一个 两端口方向图重构天线。该天线顶部贴片尺寸为0 5 丑x 0 5 2 ，两端口隔离度优于 2 0 d b 。为特征模理论应用于方向图可重构天线的设计提供了实例。 第七章提出了两个方向图可重构的微带天线，通过改变m e m s 开关的状态实 电子科技大学博士论文 现了波束扫描。其中一个天线在两种扫描状态下、在不同象限的上半空间提供了 四个准圆锥形的波束，在这两种工作状态下天线的回波损耗均优于l o ( 1 b 。另一个 天线在两种扫描状态下、在不同象限的上半空间提供了六个准圆锥形的波束，在 这两种工作状态下天线的回波损耗均优于1 5 d b 。两个天线的仿真和测试结果均吻 合较好。 第八章对本论文设计的三种天线进行了测试。介绍了测试环境、测试仪器和 测试方法，给出了测试数据。对测试数据与仿真结果进行对比，分析了造成误差 的主要原因。 第九章总结了本论文的主要工作。 关键词：特征模，方向图可重构，矩量法，电小天线 曼二墼彗查耋篓圭耋兰 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yf b c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cm o d et h e o r ya n dl t s a p p l i c a t i o n si nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f p a t t e r nr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a s i nc h a p t e r1 ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e c e n td e v e l o p m e n t sa b o u tt h ep a t t e r n r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n aa r er e v i e w e d t h em a i nw o r k sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o na r eo u t l i n e d i nc h a p t e r2 ，a na p p r o a c h ，e n t i r ee q u i v a l e n c ec u r r e n ti n t e g r a le q u a t i o ni s i n t r o d u c e df o rt h ea n a l y s i so f m i e m s t r i pa n t e n n a s t h ee q u i v a l e n c ep r i n c i p l ei su s e dt o r e p l a c ea l lc o n d u c t i n gb o d i e sb ye q u i v a l e n ts u r f a c ee l e c t r i cc u r r e n t sa n da l ld i e l e c t r i c s b ye q u i v a l e n tv o l u m ep o l a r i z a t i o nc u r r e n t s t h er e s p e c t i v eb o u n d a r yc o n d i t i o n so nt h e d i e l e c t r i ca n dt h ec o n d u c t o ra r eu t i l i z e dt ob u i l dt h ei n t e g r a le q u a t i o n sa n dm o m i s u t i l i z e dt os o l v et h ee l e c t r i cc u r r e n to nt h ee n t i r es t r u c t u r e i nc h a p t e r3 ，at h e o r yo fc h a r a c t e r i s t i cm o d e so fc o n d u c t i n gb o d i e si si n t r o d u c e d a n dam e t h o do fc h a r a c t e r i s t i cm o d ee x c i t a t i o nh a sb e e ns t u d i e da c c o r d i n gt om o d a l e x c i t a t i o nf a c t o r t h em o d ec u r r e n t sf o r maw e i g h t e do r t h o g o n a ls e to v e rt h ec o n d u c t o r s u r f a c e ，a n dt h em o d ef i e l d sf o r ma no r t h o g o n a ls e to v e rt h es p h e r ea ti n f i n i t y t h e c h a r a c t e r i s t i cm o d e su s e d 私b a s i sf u n c t i o n sb r i n gi m p e d a n c em a t r i xd i a g o n a li n a p p l i c a t i o n ss u c ha sa n a l y s i so fr a d i a t i o na n ds c a t t e r i n g f o re l e c t r i c a l l y s m a l la n d i n t e r m e d i a t es i z eb o d i e s ，o n l yaf e wm o d e sa r en e e d e d t oc h a r a c t e r i z et h e e l e c t r o m a g n e t i cb e h a v i o ro f t h eb o d y i nc h a v e r4 ，t h ep r e d o m i n a n tf i v ec h a r a c t e r i s t i cc u r r e n t sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g c h a r a c t e r i s t i cp a t t e r n so fad i v e r s i t yw i r ea n t e n n aw i t ht w oh i g h l y - i s o l a t e dp o r t sa r e g i v e n t h ee x p a n d e dc o e f f i c i e n t so ft h et w op o r tc u r r e n t sr e v e a lt h a tt h e a n t e n n a s p a t t e r n sa n d t h ec u r r e n t sc a r tb ea p p r o x i m a t e db yw e i g h t e dl i n e a rc o m b i n a t i o no ft h e f i r s tt w oc h a r a c t e r i s t i cm o d e s a n dt h ef i r s tt w oc h a r a c t e r i s t i cm o d e sc a r lb ee x c i t e d a c c o r d i n g t om o d a le x c i t a t i o nf a c t o r i nc h a p t e r5 ，ap a t t e mr e c o n f i g u r a b l ep l a n a rf r a c t a la n t e n n ai sp r e s e n t e d t h et o p s q u a r ef r a c t a lp a t c ha r e ao ft h ea n t e n n ai s 15 m i nx15 m m ，w h i c hi ss m a l l e rt h a n 0 5 2 0 5 2a t8 4 g t t z s i m u i a t e da n dm e a s 甜e dr e s u l t ss h o wt h a tf o u rs w i t c h a b l e d i r e c t i o n a lp a r e m si nt h ex - za n dy - zp l a n e sr e s p e c t i v e l ya r ea c h i e v e db yc h a n g i n gt h e c o n n e c t i o ns t a t e so ft h es w i t c h e s t h ep a t t e r nr e c o n f i g u r a b l i t yo ft h ep l a n a rt y a c t a l l i t 皇主型堡銮兰曼圭篁兰 a n t e n n ai sd e s c r i b e db yu s i n gac h a r a c t e r i s t i cm o d ea n a l y s i s t h em o d ee x p a n d e d c o c m c i e n t so ft h ee x c i t e dc u r r e n tr e v e a lt h a tt h ea n t e n n a s p a t t e r n s c a r lb e a p p r o x i m a t e db yw e i g h t e dl i n e a rc o m b i n a t i o no ff o u rk e yc h a r a c t e r i s t i cm o d e s 。t h e c h a r a c t e r i s t i cc u r r e n td i s t r i b u t i o n sr e v e a lw h yt h ep r o b ec a ne x c i t et h ef o u rk e y c h a r a c t e r i s t i cm o d e se f f e c t i v e l y i n c h a p t e r6 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c m o d e so ft h es q u a r e p a t c ha n t e n n aa r e c a l c u l a t e da n dt h e i rv a r i a t i o n sw i t ht h ea n t e n n a ss t r u c t u r ea n ds i z ea r eg i v e n ap a t t e m r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n aw i t ht w op o r t si so b t a i n e db ye x c i t i n gc h a r a c t e r i s t i cm o d e s1 、 1 2a n dc h a r a c t e r i s t i cm o d e4 r e s p e c t i v e l y n l et o pp l a t ea r e ao ft h es q u a r ep a t c h a n t e n n ai s0 5 2x0 5 五a n dt h ei s o l a t i o nb e t w e e nt h et w op o r t si sb e t t e rt h a n2 0 d b t h i si st a k e n 豁a ne x a m p l eo fu s i n gc h a r a c t e r i s t i cm o d e sf o rp a t t e mr e c o n f i g u r a b l e a n t e n n ad e s i g n i nc h a p t e r7 ，t w op a t t e mr e e o n f i g u r a b l em i c r o s t r i pa n t e n n a sa r ep r e s e n t e dt o d e m o n s t r a t et h ec a p a b i l i t yo fb e a ms t e e r i n gb yc o n t r o l l i n gm e m ss w i t c h e so n o f f o n eo ft h ea n t e n n a sp r o v i d e st w os e t so fc o n n e c t i o ns t a t e sa n df o u rs w i t e h a b l e d i r e c t i o n a lq u a s i c o n i c a lb e a m si nd i f f e r e n tq u a d r a n t so ft h eu p p e rh a l fs p a c ea t8 g i - l z a n dt h e 粥f ml o s s e sa r eb e t - t e rt h a nl o d b j 乃eo t h e ra n t e n n ap r o v i d e st w os e t so f c o n n e c t i o ns t a t e sa n ds i xs w i t c h a b l ed i r e c t i o n a lq u a s i c o n i c a lb e a m si nd i f f e r e n t q u a d r a n t so f t h eu p p e rh a l fs p a c ea t9 0 8 g h za n d t h er c t l 1 r nl o s s e sa r eb e t t e rt h a n1 5 d b t h es i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n t i n c h a p t e r8 m e a s u r e m e n t s o ft h r e ek i n d so fa n t e n n a sa r ep r e s e n t e d n l e c o n d i t i o n ，d e v i c e s ，a n dm e t h o d so ft h em e a s u r e m e n t s 鲇ei n t r o d u c e da n dt h em e a s u r e d a t aa r eg i v e n b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t s ，t h ec a u s e so ft h e e r r o ra r ea n a l y z e d i nc h a p t e r9 ，as u m m a r yo f t h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sg i v e n k e yw o r d s ：c h a r a c t e r i s t i cm o d e ，p a a e r nr e c o n f i g u r a b i l i t y , t h em e t h o do fm o m e n t ( m o m ) ，e l e c t r i c a l l ys m a l la n t e n n a i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特猎加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名：罢垒：鑫日期：2 。略年n 月j 3 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借蠲本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：呈生盔导师麴：建 日期：工。啦年旺月喀日 1 1 研究背景 第一章引言 2 1 世纪是信息时代，随着信息量的迅猛增长，通信系统面临巨大的挑战。移 动通信为满足人类对通信的更高要求应运而生，作为一种晟为便捷的通信方式， 因其肩负的任务艰巨而面临着更大挑战。天线是移动通信系统中必不可少的关键 技术之一，其中具有波束形成能力的智能天线和可重构天线能够提高系统的链路 性能，这种天线技术上的进步将给移动通信系统带来革命性的进步。 智能天线的概念是在8 0 年代末为了提高通信系统的通信容量和质量提出来 的【1 8 】。它是一种能够根据所处的电磁环境、智能地调节自身参数( 主要是天线方 向图) 、从而使通信系统保持最佳性能的天线系统。基站智能天线实际上是种 自适应阵列天线【9 玎i ，它根据其感受到的移动通信环境的动态变化，通过调节各 阵元信号的加权幅度和相位，智能地调整天线阵的方向图形状，对干扰信号进行 抑制，提高s i n r ( 信号与噪声干扰的比值) ，使得通信质量大大提高，通信信 道容量增加，电磁兼容特性改善。移动台智能天线主要采用的是分集天线系统 1 4 - 2 8 】。通过选择、合并两个或多个天线上的信号，分集系统能够减小移动无线信 道的多径衰落效应、改善通信质量。分集天线系统主要采用三种分集技术：空间 分集、极化分集、方向图分集。它们分别在空间、极化方式和方向图上实现隔离， 减小信号的相关性、增大分集增益。 可重构天线概念是在9 0 年代末为了增加系统功能、实现综合信息系统、降 低系统成本而诞生的口9 3 3 】。它将诸多天线的功能融合到同一天线口径中，从而降 低综合信息系统的整体成本、减轻重量、减小系统的雷达散射截面、实现良好的 电磁兼容特性，用一个天线口径达到“万能”( o n ed o e si ta n ) 的目的 3 4 - 4 8 】。现代可重 构天线主要是通过m e m s 开关调节开关组的工作状态，改变天线的电结构、电流 分布，从而获得不同用途的天线特性【3 7 3 9 - 4 8 】。可熏构天线按功能来分，主要可 以分为以下几类：频率可重构天线( 此类天线可以在宽频带或者超宽频带范围内 改变工作频率而以近似相同的方向图进行工作【3 8 - 4 2 1 ) ；方向图可重构天线( 此 类天线可以适时改变方向图，而工作频率保持不交【4 “副) ：频率和方向图同时 可重构的天线【4 8 】( 此类天线能够在超宽频带范围内重构辐射方向图，这也是可 重构天线研究的最终目标) 。1 9 9 9 年，美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 组 电子科技大学博士论文 织了十二家著名的大学、研究所和公司，制定实施了名为“可重构孔径 ( r e c o n f i g u r a b l ea p e r t u r ep r o g r a m ( r e c a p ) ”) 的研究计划【4 9 】。首期计划执行时间为 1 9 9 9 年7 月2 0 0 3 年1 2 月。其初步目标是：探索在超宽带范围( 带宽1 ：1 0 左右1 内，重构天线辐射方向图的可行性。 文献1 5 0 - 5 1 1 在移动台适用的分集天线和可重构天线的研究中做了开创性的工 作。其中具有波束形成能力的方向图可重构天线，因其能进步提高通信系统的 链路性能，成为智能天线研究中的重点和难点。这里提到的方向图可重构天线在 实现手段上突破了传统意义上的方向图可重构天线，它不仅包含了通过开关实现 的方向图可重构天线，还包括多馈电实现的方向图分集天线、以及通过多馈电和 开关同时工作来实现对方向图控制的天线。移动台适用的方向圈可重构天线在天 线形式上应该采用不同于传统天线阵列的紧凑结构，它的分析和设计也不能采用 传统的天线阵理论，这样就对天线设计提出了更高的要求。许多数值方法如：时 域有限差分法f d t d l 5 2 - 5 3 、矩量法m o m 5 4 - 5 5 1 等，对于小型天线系统，能够非常 成功的预测其电磁特性，却不能绘出明确的工作机理和设计指导。这时急需要一 种天线分析设计方法对天线的波束形成提供解释，指导设计出平面化、小型化， 高性能的方向图可重构天线。建立在矩量法基础之上的特征模理论提供了一套特 征电流在源区正交、特征场在无穷远球面上正交的特征模。特征模只与天线的结 构、尺寸和工作频率有关。通过选择馈电的位置、幅度、相位就可以控制这些模 式以及由它们产生的合成场。 本论文所研究的课题正是在上述背景下提出来的，所涉及的研究内容包括用 特征模分析高隔离度两端口分集线天线；方向图可重构的平面分形天线的设计和 特征模理论分析；特征模理论分析和设计方向图可重构平面方形贴片天线；以及 微带方向图可重构天线。 1 2 国内外研究现状 设计具有良好特性的天线本身就是一个复杂的电磁问题【5 6 5 7 1 ，加上设计具有 天线方向图控制能力的方向图可重构天线将会面临更大的困难。目前，国内对移 动台方向图可重构天线的研究还极少，国外的文献也只报道了少数成功的天线结 构，但没有提出相应的分析和综合方法。 2 电子科技大学博士论文 1 2 1 适用于移动台工作的方向图可重构天线 文献1 5 哪通过在两个五4 单极子之间的适当位置加一个金属连接条，得到了紧 凑的、离隔离度的两端口分集线天线，这一结构可以得到大于2 0 d b 的隔离度， 但隔离度带宽小于1 5 ，并且在这一带宽内回波损耗达不到1 0 d b 的要求，还需 另加匹配电路。文献f 5 9 】在此结构的基础上利用矩量法结合遗传算法优化出一个两 端口分集线天线结构。该天线两端口的1 0 r i b 回波损耗带宽为6 ，2 0 d b 隔离度 带宽大于2 5 ，最高隔离度可达4 0 d b ，整个天线的尺寸为0 2 5 2 0 2 五。文献【6 0 i 介绍了一个两馈电紧凑平面天线，该天线将两个微带贴片单元合并在一起形成一 个y 形平面天线，并通过电容加载来进一步减小天线的尺寸。天线顶部面积为 0 1 7 2 0 1 7 五，两端口之间的1 0 d b 回波损耗带宽为2 7 ，隔离度在整个频带内 大于2 0 d b 。这个y 形天线利用方形微带天线沿x 方向和y 方向有两条互相垂直的 电压零线位于贴片中心，将馈点分别放在两条电压零线上，馈点之间产生的互耦 将是很低的，实际上它是一种极化分集天线。文献【6 l 啦】也分别介绍了两种平面极 化分集天线。 文献【6 3 j 提出了一个方形螺旋微带天线并在适当位置接入一接地柱，通过改变 这个方形螺旋微带和接地柱之间的连接状态，天线能够实现方向图重构；文献哪j 介绍了一个y a g i u d a 方向图可重构谐振阵，天线包含三个平行的微带振子，在中 间的振子上采用同轴馈电，分别在两侧的两个振予的两端设置两个m e m s 开关来改 变阵子的长短，从而达到引向或反射的作用。该天线顶部振予的外尺寸为 o 7 5 1 0 5 2 ，其中五是介质波长。该天线具有5 的带宽，在h 面上形成三个波束 方向，它们的最大波束方向分别指向一3 5 。、0 。、3 5 。文献 6 5 】还介绍了一种用共 面波导周期结构漏波天线实现的可重构天线。该天线方向图主瓣可以在- 9 0 。一9 0 。 范围内的整个上半空间中以较小的步进角扫描，由于该天线是行波天线故尺寸较 大。但这些研究主要是通过数值仿真、遗传算法、经典的设计公式进行，不但设 计效率低，也不易探索寝挖掘其内在规律。因此，探索方向图可重构天线适用的、 简单而有效的分析与设计方法是进一步提高天线性能的关键。 1 2 2 特征模理论的发展现状 特征模理论长期以来用于分析导体的表面与坐标系一致的、便于求解的亥姆 赫兹方程，如规则的波导、谐振腔等。1 9 6 8 年，g a r b a e z 在他的博士毕业论文【6 6 】 中将特征模理论推广到分析任意形状的导体。1 9 7 1 年，h a r r i n g t o n 在文献6 7 。6 研将 这一理论继续加以总结和发展，并在1 9 7 2 年将它推广到介质中6 9 1 。这种特征模 电子科技大学博士论文 理论被称为经典特征模，它的特征电流在源区加权正交，特征场在无穷远球面上 正交。1 9 7 8 年，i n a g a k i 提出了广义i n a g a k i 理论【”】，其特征电流在源区相互正 交，特征场在任意选定区域正交。1 9 9 0 ，d u i x i a nl i u 提出广义特征模理论口2 】具有 和i n a g a k i 模相似的性质，但拥有计算量更小和物理意义明确的优点。 自从特征模提出以后相继有文献报道了它在散射体、散射截面 7 3 - 7 5 和天线方 向图控制 7 3 - 7 4 中一些应用。1 9 7 2 、7 3 、7 4 年，h a r r i n g t o n 相继提出了能够综合出 期望散射截面的方法。首先，利用最小均方误差的方法优化出一组特征电流，它 们的组合能够最好地近似期望的散射截面。接着，在散射体上定义n 个端口，形 成一个n 端口散射体。任何一个实的特征电流都可以通过对n 个端口进行有源加 载成为谐振电流。如果端口数足够多，这个期望的特征电流就将被激励起来，成 为加载散射体的主要辐射模式。如果没有其它模式在这个频点附近谐振，这个散 射体的散射截面将近似期望特征电流对应的散射截面。通过n 端口加载的方法对 优化出的这组特征电流进行谐振激励，这个散射体的散射截面就能够近似期望的 散射截面。1 9 9 8 年，文献【。7 6 】利用特征模优化了一个方向图垂直向上的车载线天线。 它首先将车身和线天线作为整体计算它们的特征模，然后计算特征模所对应的特 征方向图与期望方向图的内积，得到各个模式的尺度因子。选择尺度因子最大的 四个模式也就是和期望方向图最为相关的四个模式，根据这四个模式的电流幅值 选择四个端口进行电压激励来得到近似的期望方向图。在以上几篇文献中，虽然 特征模理论对方向图控制具有指导意义，但它的应用只局限于线天线，而且对方 向图的控制也是通过增加端口数目来实现。若将其引入到移动台适用的平面紧凑 型方向图可重构天线的分析和设计中，将会遇到巨大的挑战。 另外还有一些文献讨论了特征模理论在分析天线问题中的一些现象、特点和 相关应用 7 7 4 1 】。文献f 观彤1 将特征模理论作为矩量法的一种改进算法，通过特征模 法将矩量法中的阻抗矩阵对角化，从而节约了对阻抗矩阵求逆的计算量和计算时 间，提高计算效率。文献【蚓通过f d t d 计算特征模的方法，为我们用时域的观点 理解特征模提供了另一条思路。 1 3 本文研究的主要内容和贡献 本论文的研究工作主要是围绕特征模理论及其在方向图可重构天线研究中 的应用进行的。本课题受到：教育部跨世纪优秀人才基金( 智能电小天线系统的 电磁理论及关键技术研究) 、国家自然科学基金( 用于移动终端的紧凑型可重构 4 电于科技大学博士论文 平面天线) 、以及国家高技术研究计划( 8 6 3 ) 课题( 可重构天线的电磁理论及 关键技术研究) 的支持。本论文从一个崭新的角度，利用特征模理论分析设计方 向图可重构天线，研究工作的主要内容和贡献为： ( 1 ) 基于文献瞵”提供的用m a t l a b 编写的矩量法程序，提取天线的阻抗矩 阵，自己编写程序计算天线的特征值、特征电流和特征方向图，为线天线和平面 天线特征模的提取提供了计算工具。 ( 2 ) 将特征模理论用于高隔离度两端口分集线天线的分析中。通过对该天 线特征模的提取，了解该天线的模式分布并给出关键模式的特征值、特征电流及 特征方向图。接着分别计算了端口1 和端口2 电流的模式展开系数，最后分别用 特征模式1 和特征模式2 成功地合成了端口1 和端口2 电流的近似值，并给出近 似电流的电流分布和方向图。通过这一过程，清楚地解释了天线能够实现方向图 分集和高隔离度的物理机理，让我们对用特征模分析方向图分集线天线的有效性 有了肯定的认识。探索了由模式激励因子l ，量乙) 确定馈电系统这一关键技术， 将这一技术应用于两端口分集线天线中，成功地激励起天线的特征模式1 和特征 模式2 ，为特征模理论应用于方向图可重构线天线的设计提供了指导方法。 ( 3 ) 提出了一种方向图可重构的平面分形天线。该天线在8 4 g h z 工作频率 附近大约有1 0 的带宽，顶部分形贴片的面积为1 5 r a m 1 5 r a m ，小于o 5 a x o 5 五， 紧凑的尺寸使它非常适用于移动台。通过改变m e m s 开关的连接状态，该天线具 有四个半功率波束宽度为6 0 6 的可控扫描波束，分别位于x - z 、n z 上半平面的左右 两边。因为分形天线结构复杂，缺少一种有效地分析设计方法。对此，本文首次 将特征模理论用于平面分形天线的分析中，不仅清楚地洞察了该天线的自然谐振 模式，而且成功地解释了它实现方向图重构的原因。 ( 4 ) 以有限地板方形贴片天线为例，对平面天线中特征模随频率的变化、 贴片距地板高度对特征模的影响、地板尺寸变化对特征模的影响几个方面进行了 系统地探讨，对工程设计有指导作用。 ( 5 ) 将特征模理论用于有限地板方形贴片天线设计中，实现了两端口馈电 的方向图可重构平面天线。首先提取了该天线的特征电流、特征方向图，再利用 模式激励因子l ，互乞确定馈电系统这一技术，在天线中引入两个探针馈电，成 功地激励起天线的特征模式1 、1 2 和特征模式4 ，获得了一个顶部贴片尺寸为 o 5 五0 5 a , 的两端口方向图重构天线，端口隔离度达到2 0 d b 。为特征模理论应用 于方向图可重构天线的设计提供一个成功的实例。 电子科技大学博士论文 ( 6 ) 提出了两个微带方向图可重构天线结构。方环微带贴片天线工作在 8 g h z 附近，天线顶部贴片外尺寸为1 4 m i n x1 4 m m ，大约为0 7 2 x 0 7 a 。6 个开 关分别位于天线的左右两边控制天线的工作状态：状态1 在第、第三象限的上 半平面提供了两个准圆锥形的波束；状态2 在第二、第四象限的上半平面提供 了两个准圆锥形的波束。矩形开槽微带贴片天线，天线工作在9 0 8 g h z 附近，顶 部贴片外尺寸为1 4 r a m 1 2 m m ，大约为0 蹦o 7 2 。状态l 在第二、第三、第四 象限的上半平面提供了三个准圆锥形的波束；状态2 在第一、第二、第四象限 的上半平面提供了三个准圆锥形的波束。 在研究过程中，作者还对矩量法编写微带天线的程序进行过一段时间的尝 试，为将特征模理论进一步推广到微带可重构天线的分析设计中做了一些具体的 工作；为了进一步推广由模式激励因子( 厶，e 。) 确定的模式激励技术，对设计馈 电系统的优化也做了一些探索性的尝试，希望为馈电方式和馈电位置的工程设计 提供有效的技术途径，从而形成一种有效的方向图控制方法。这是将特征模理论 进一步应用于方向图可重构集成化天线分析和设计中的两项关键技术。 6 电子科拄太学博士论文 2 1 引言 第二章积分方程及矩量法分析微带天线 迄今为止，分析微带天线的方法有很多种，摄早是采用各种等效电路理论和 其它一些近似方法，如等效传输线法和腔模理论；后来逐渐采用了比较精确的积 分方程法，如谱域矩量法，这些方法能够比较精确地分析一些结构简单的微带天 线。随着微带天线研究的不断深入，贴片的形状和天线的结构日趋多样，相应的 分析方法也有了进展，这些进展主要围绕两条主线展开：一条是围绕微分方程法 时域有限差分( f d t d ) 法展开，近年来时域有限差分法得到了飞速发展， 在电磁场数值计算方面己得到广泛应用，越来越多地用于微带结构的分析，获得 了较好的结果：另一条主线是围绕积分方程法一改进传统的矩量法展开，最引 人注目的是离散复镜像理论( d c 蹦) 的提出，这是一种全波方法，应用该方法 町以得到任意分层介质微带结构闭合形式的空域格林函数，避免了传统谱域矩量 法中极其费时、高振荡、收敛慢的s o m m e r f i e l d 数值积分。该方法已成为分析微 带结构的标准方法、并在商业电磁数值模拟软件中得到应用。 与以上两种方法不同，文献“踟提出了一种以等效原理为基础分析微带结构 韵新方法等效体、面电流积分方程方法，用等效表面电流分布取代金属导体 的影响，用等效体极化电流分布取代介质体结构的影响，在介质体和金属导体各 分界面应用相应的边界条件，建立两个积分方程，应用矩量法求解整个微带结构 的电流分布。只要选择适当的基函数，理论上采用该方法可以分析任意结构的微 带天线。常用的分析方法即电场积分方程结合谱域或空域矩量法，都必须首先做 繁琐的公式推导求得格林函数，然后还得做谱域中困难的无穷积分或空域中费时 的s o m m e f f e l d 积分。等效体、面电流积分方程方法只需用最简单的自由空间格林 函数，完全避免了无穷积分或s o m m e r f e l d 积分的困难，这也是此方法的显著特点。 此外，该方法在分析中已精确包含了金属接地板有限尺寸的影响，而采用其它积 分方程法，如要考虑有限尺寸接地板的影响，还必须结合应用其它技巧和方法。 文献【8 9 1 分析了矩形微带天线，将数值计算结果与其它方法的结果傲了比较，一致 性较好，证实了该方法的有效性和优越性。 性较好，证实了该方法的有效性和优越性。 皇三型垫查耋墨圭耋圣 2 2 基于全等效电流的电场积分方程 对于微带结构的分析，应用等效原理可建立基于全等效电流的电场积分方程。 所谓全等效电流即指用等效表面电流在自由空间的辐射来取代金属导体部分的 影响；对于整个介质体，用体极化电流来等效介质结构的影响。无论是等效面电 流还是等效体极化电流都是自由空间的电流分布，这样在计算场分布时就可以用 自由空间格林函数。以下分析中，严格考虑有限尺寸接地板的影响，并将它视为 一块金属导体。 在入射场激励下，空间任意位置，的总电场e c r ) 可以表示为 g ( r ) = e 。( ，) + e ( ，)( 2 一1 ) 其中，f ( ，) 为场点，处的入射场，f ( ，) 为场点，处的散射场。散射总场由两个部 分组成，一是由入射场冒( ，) 在金属导体表面的感应电流产生的电场，另部分是 入射场在介质体上感应出的体极化电流产生的电场，即 e ( ，) = 丘【五】+ 易【以】 ( 2 - 2 ) 其中 丘【j c 】= 一j c 0 4 一v 以 = 一等；堕圳嘶埘一去导毖p c ( ， ) g ( ，哪 p 3 式中，一表示源点坐标，表示场点坐标，彩为角频率，为自由空间格林函数， “为自由空间电导率。o ( r ，) 为自由空间的格林函数，且有 g ( ，r ) = 口一成“r ( 2 - 4 ) 其中：r = ( z j 1 ) 2 + ( ，一，) 2 + ( ：一：。) 2 ，= 2 州九。 由连续性方程 v 。- = 一豇致( 2 5 ) 代入( 2 - 3 ) 式，可得 叫球志忙导照( ，) g ( “) 出。+ v 导瑟v 叫) g ( r ，_ ) 幽 ) 其中： 曼主鹜薹奎兰矍圭鎏銮 。，。 v 。以( 一) g ( ， ，) 西 = 。鹱一 v 。 ( ，) g ( ，) 一( ，) v + g ( ，。) 西。 ( 2 7 ) 导体面 。 = o + j v g ( ，) 矗 将( 2 7 ) 式代m 2 6 ) 式，得 t 【t 】2 志忙导缘( ，_ ) g ( r 水。+ v 导缘( r ) _ v g ( ，州陋8 ) 类似地，可得到介质体内等效体极化电流产生的散射场 厶k 】_ 志弘般厶( ，悱，巾y + v 艘v 厶( 巾( 川 陋，) 对介质施加以下强制边界条件 v 。以( i ) = 0 ，一圪 叫 0 ，岛 其中，岛为包围介质体巧的闭合面。( 2 - l o ) 式意味着在同一均匀介质区域内的等 效极化电流是无散的，也就是说除了不同介质的交界面以外，介质体内部不存在 等效极化电荷。这样，( 2 9 ) 式的第二项积分则可以简化为 讯】2 去p 殿，d 伽( r ，id v + v s a 一厶m 俅巾- 其中，膻。代表岛的单位外法向矢量。 在金属导体表面墨，电场的切向分量为零，( 2 - 1 ) 退化为 冒( ，) + e 5 ( r ) 。= o ，r e s c ( 2 1 2 ) 结合( 2 1 2 ) 、( 2 - 2 ) 式，可得金属导体表面积分方程 e 7 ( ，) 。= - l o i j 。 - l , , 【厶】，足 ( 2 - 1 3 ) 其中厶k 】和岛( 厶 分别由( 2 - 8 ) 、( 2 一1 1 ) 两式确定。 在介质体区域内，定义体极化电流 厶( ，) 2j o e 0 ( e r 1 ) 占( ，) ，巧 r 2 1 4 ) e ”“表示介质体内的总场 9 一一 皇三型鍪查兰堡耋墼兰 e t o t a = 五7 ( ，) + e 。( ，) ，吆 ( 2 1 5 ) 由( 2 - 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 式得 点。( ，) = 踹一e 5 ( ，) ，e 巧( 2 1 6 ) 介质体区域的散射场也由导体表面的感应电流和介质体上的体极化电流共同产 生 ( ，) = 三c 【j c 】+ 岛k 1( 2 1 7 ) 则在介质区有 簋7 ( ，) = 页磊s a 丽o z o j 。l 一厶【厶j ，r e 吃 ( 2 一1 8 ) 至此，对于给定的入射场e 。( ，) ，用矩量法求解由( 2 1 3 ) 、( 2 1 8 ) 式构成的全 等效电流积分方程，即可求得等效面电流分布和等效体极化电流分布厶。 2 3 矩量法求解全等效电流积分方程 2 3 1 脉冲基点选配求解电流分布 1 脉冲基点选配离散等效面电流分布和等效体极化电流分布厶 以下分析中傲了两个合理假设： ( 1 ) 微带结构中金属贴片和地板均为x - y 二维无限薄平板； ( 2 ) 分层微带结构中，每一层介质内的介电常数和导磁率都是常量。 对于金属导体平板，将