1.本发明涉及天线设计技术领域，尤其是一种基于特征模理论的高增益天线设计方法。
背景技术：2.普通微带天线由于其平面轮廓、展宽带宽的灵活性、多频带操作和小型化，在许多实际应用中得到了广泛的应用。然而，面对远距离传输的通信场景，对天线的增益具有更高的要求。传统的高增益天线大多采用阵列形式，但是需要复杂的馈电网络。为了避免馈电网络的复杂化，使用单个贴片获得高增益特性逐渐成为学者研究的重点。
3.传统的单个贴片获得高增益特性主要分为两种方法：第一种方法是通过加载短路引脚，这种方法的缺点是获得带宽较窄并且谐振频率往高频移动；第二种方法是通过激励普通微带天线的高次模式获得高增益特性，但是由于高次模式较难激励同时副瓣较高，在实际中也很难得到应用。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种结构简单、增益较高、带宽较宽的基于特征模理论的高增益天线设计方法。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于特征模理论的高增益天线设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
6.(1)对普通微带天线进行特征模式分析，得出高次模式的模式电流分布；所述普通微带天线由矩形辐射贴片、第一介质板和金属地组成，矩形辐射贴片和金属地分别印刷在第一介质板的两侧板面上；
7.(2)去除高次模式中的反向电流；
8.(3)对去除反向电流的普通微带天线进行再一次的特征模式分析，找到高次模式，并根据高次模式电流的分布设置馈电端口，记录下馈电端口的激励情况；
9.(4)根据馈电端口的信息，设计一个能替代该馈电端口的功分器；同时根据电流的分布特点，进一步修改普通微带天线的结构进行仿真优化。
10.所述步骤(1)具体包括以下步骤：
11.(1a)在feko软件中建立普通微带天线模型，设置求解频率以及求解模式数，进行特征模式分析；
12.(1b)在feko软件中对普通微带天线模型进行网格剖分，依据网格剖分结果对下列公式进行求解：
13.xjn＝λnrjnꢀꢀ
(1)
14.其中，x和r分别是阻抗矩阵的虚部和实部；特征值λn表示为储能与辐射的比值，当λn＝0时，表示辐射体没有储能，全部能量被辐射出去，特征值λn越接近于0，表示此时的辐射体辐射能力越强；jn是第n个模式的电流，同时辐射体表面总电流j表现为：
15.j＝∑nα
njn
ꢀꢀ
(2)
16.其中，αn为模式权重系数，表示第n模式在总电流中的贡献度；αn表示为：
[0017][0018]
其中，ei表示特征电场；
[0019]
在计算公式(1)的同时，feko软件依据下列公式计算第n个模式的ms值：
[0020][0021]
ms的值为[0,1]，当ms的值为1时，代表第n个模式的辐射能力最强，定义ms大于0.707的频段为辐射频段；
[0022]
(1c)获取普通微带天线的ms值，并绘制ms关于频率的分布图；通过ms曲线观察模式电流，找出普通微带天线的高次模式。
[0023]
所述步骤(2)具体是指：观察高次模式中反向电流所处的位置，在矩形辐射贴片上根据反向电流的位置开槽，挖去反向电流所处的位置处的矩形辐射贴片。
[0024]
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
[0025]
(3a)对去除反向电流的普通微带天线再一次进行特征模分析，绘制ms曲线关于频率的变化图，通过模式电流找到去除反向电流的高次模式，并记录下该高次模式ms等于1的频率值；
[0026]
(3b)观察ms等于1的高次模式电流图，在电流最大的位置处加入两个对称的同轴探针，即第一同轴探针和第二同轴探针，得到馈电端口；观察两个同轴探针分别激励时αn的幅度和相位，记录下此时的相位差；αn为模式权重系数，表示第n模式在总电流中的贡献度。
[0027]
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
[0028]
(4a)设计一个一分二并且具有相位差的功分器作为馈电端口的输入，所述功分器印刷在第二介质板的一侧板面上，第二介质板的另一侧板面上印刷金属地，金属地印刷在第一介质板和第二介质板之间，第一介质板的另一侧板面上印刷矩形辐射贴片，功分器的两端分别连接第一金属圆柱和第二金属圆柱，第一金属圆柱和第二金属圆柱依次穿过第二介质板、金属地、第一介质板与矩形辐射贴片连接；
[0029]
(4b)将去除反向电流的普通微带天线的矩形辐射贴片的窄边进行弯折，随后进行仿真优化。
[0030]
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明使用特征模理论计算辐射体的高次模式，并根据高次模式电流的分布进行开槽，旨在去除反向电流对增益的影响；第二，本发明能够使用特征模理论指导天线的馈电设计，减小整体天线设计的工作量和难度；第三，本发明所设计的结构简单，增益较高，并具有高方向性。
附图说明
[0031]
图1为普通微带天线模型的结构图；
[0032]
图2为普通微带天线的模式分析结果示意图；
[0033]
图3(a)为模式一的电流示意图；
[0034]
图3(b)为模式二的电流示意图；
[0035]
图3(c)为模式三的电流示意图；
[0036]
图4为加载矩形空隙之后的微带天线模型示意图；
[0037]
图5为加载矩形空隙之后的模式分析结果示意图；
[0038]
图6(a)为加载矩形空隙之后模式一的电流示意图；
[0039]
图6(b)为加载矩形空隙之后模式二的电流示意图；
[0040]
图6(c)为加载矩形空隙之后模式三的电流示意图；
[0041]
图6(d)为加载矩形空隙之后模式四的电流示意图；
[0042]
图6(e)为加载矩形空隙之后模式五的电流示意图；
[0043]
图7为加入两个同轴探针作为馈电端口的结构示意图；
[0044]
图8(a)为加入馈电端口后的αn的幅度图；
[0045]
图8(b)为加入馈电端口后的αn的相位图；
[0046]
图9为加入功分器结构后的结构示意图；
[0047]
图10为辐射贴片加载弯曲窄边的结构示意图；
[0048]
图11(a)为整体天线结构的s参数；
[0049]
图11(b)为天线结构的增益图。
具体实施方式
[0050]
如图1所示，一种基于特征模理论的高增益天线设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0051]
(1)对普通微带天线进行特征模式分析，得出高次模式的模式电流分布；所述普通微带天线由矩形辐射贴片1、第一介质板2和金属地3组成，矩形辐射贴片1和金属地3分别印刷在第一介质板2的两侧板面上；
[0052]
(2)去除高次模式中的反向电流；
[0053]
(3)对去除反向电流的普通微带天线进行再一次的特征模式分析，找到高次模式，并根据高次模式电流的分布设置馈电端口，记录下馈电端口的激励情况；
[0054]
(4)根据馈电端口的信息，设计一个能替代该馈电端口的功分器8；同时根据电流的分布特点，进一步修改普通微带天线的结构进行仿真优化。
[0055]
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
[0056]
(1a)在feko软件中建立普通微带天线模型，设置求解频率以及求解模式数，进行特征模式分析；
[0057]
(1b)在feko软件中对普通微带天线模型进行网格剖分，依据网格剖分结果对下列公式进行求解：
[0058]
xjn＝λnrjnꢀꢀ
(1)
[0059]
其中，x和r分别是阻抗矩阵的虚部和实部；特征值λn表示为储能与辐射的比值，当λn＝0时，表示辐射体没有储能，全部能量被辐射出去，特征值λn越接近于0，表示此时的辐射体辐射能力越强；jn是第n个模式的电流，同时辐射体表面总电流j表现为：
[0060]
j＝∑nα
njn
ꢀꢀ
(2)
[0061]
其中，αn为模式权重系数，表示第n模式在总电流中的贡献度；αn表示为：
[0062][0063]
其中，ei表示特征电场；
[0064]
在计算公式(1)的同时，feko软件依据下列公式计算第n个模式的ms值：
[0065][0066]
ms的值为[0,1]，当ms的值为1时，代表第n个模式的辐射能力最强，定义ms大于0.707的频段为辐射频段；
[0067]
(1c)获取普通微带天线的ms值，并绘制ms关于频率的分布图；通过ms曲线观察模式电流，找出普通微带天线的高次模式。
[0068]
在feko软件中选择绘制ms值关于频率的曲线图，如图2所示；观察图2的ms曲线，可以得到模式一谐振在7.5ghz，模式二谐振在7.55ghz，模式三谐振在7.25ghz；此外由1(b)中的公式，可以计算得到各个模式的模式电流。如图3(b)所示，电流沿着长边分布均匀，且每段电流的长度为长边的n分之一倍，n为正整数，所以确定模式二为所需要的高次谐波模式；因此图3(a)与图3(c)所代表的模式一与模式三则不是所需要的高次谐波模式。
[0069]
所述步骤(2)具体是指：观察高次模式中反向电流所处的位置，在矩形辐射贴片1上根据反向电流的位置开槽，在这里，开槽是指挖去反向电流所处的位置处的矩形辐射贴片1，挖出的矩形空隙4在矩形辐射贴片1中的位置，如图4所示。
[0070]
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
[0071]
(3a)对去除反向电流的普通微带天线再一次进行特征模分析，绘制ms曲线关于频率的变化图，通过模式电流找到去除反向电流的高次模式，并记录下该高次模式ms等于1的频率值；
[0072]
(3b)观察ms等于1的高次模式电流图，在电流最大的位置处加入两个对称的同轴探针，即第一同轴探针5和第二同轴探针6，得到馈电端口；观察两个同轴探针分别激励时αn的幅度和相位，记录下此时的相位差；αn为模式权重系数，表示第n模式在总电流中的贡献度。
[0073]
由于结构的改变会对模式造成非常大的影响，所以对带有矩形空隙4的微带天线重新进行模式分析，在feko软件中选择ms值关于频率变化的曲线，如图5所示；此外根据图5中的ms值可以计算得到模式电流；
[0074]
通过观察图6(a)至图6(e)的模式电流与图3(a)至图3(c)的模式电流分布相对比，可以得到图5中的模式一是反向电流减小的高次谐波模式；此外根据图6(a)的模式一电流分布，可以在电流较强的位置加入第一同轴探针5与第二同轴探针6作为激励，如图7所示。如图8(a)所示，模式一激励的同时会伴随着模式三与模式五，如图8(b)所示，模式一与模式四保持异相位激励，模式二与模式三和模式五保持同相位激励。从电流上看，图6(b)至图6(e)所代表的模式属于杂乱模式，不具高增益特性，这里不作为所需要激励的模式。
[0075]
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
[0076]
(4a)设计一个一分二并且具有相位差的功分器8作为馈电端口的输入，功分器8用来代替两个同轴探针，所述功分器8印刷在第二介质板7的一侧板面上，第二介质板7的另一侧板面上印刷金属地3，金属地3印刷在第一介质板2和第二介质板7之间，第一介质板2的另
一侧板面上印刷矩形辐射贴片1，功分器8的两端分别连接第一金属圆柱9和第二金属圆柱10，第一金属圆柱9和第二金属圆柱10依次穿过第二介质板7、金属地3、第一介质板2与矩形辐射贴片1连接；
[0077]
(4b)将去除反向电流的普通微带天线的矩形辐射贴片的窄边进行弯折，随后进行仿真优化。
[0078]
根绝图6(a)的模式电流所示，反向电流依然集中在矩形辐射贴片1的窄边上，将矩形辐射贴片1的窄边弯曲进一步减小反向电流对增益的影响，如图9所示；
[0079]
(4b)设计一个一分二的功分器8，功分器8结构如图10所示；端口11作为激励的输入；输出的相位差则通过两条支路的长度差来决定；将整体的结构在hfss软件中进行整体仿真，仿真结果如图11(a)、图11(b)所示；从图11(a)可以看出天线的10db带宽为6.75至7.15ghz，带内匹配良好；此外从图11(b)中可以得到最大增益为14.2dbi，phi＝0和phi＝90的3db波瓣宽度分别为28度和40度，方向性良好。
[0080]
综上所述，本发明使用特征模理论计算辐射体的高次模式，并根据高次模式电流的分布进行开槽，旨在去除反向电流对增益的影响；本发明能够使用特征模理论指导天线的馈电设计，减小整体天线设计的工作量和难度；本发明所设计的结构简单，增益较高，副瓣电平较低。
技术特征：1.一种特征模理论的高增益天线设计方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：(1)对普通微带天线进行特征模式分析，得出高次模式的模式电流分布；所述普通微带天线由矩形辐射贴片、第一介质板和金属地组成，矩形辐射贴片和金属地分别印刷在第一介质板的两侧板面上；(2)去除高次模式中的反向电流；(3)对去除反向电流的普通微带天线进行再一次的特征模式分析，找到高次模式，并根据高次模式电流的分布设置馈电端口，记录下馈电端口的激励情况；(4)根据馈电端口的信息，设计一个能替代该馈电端口的功分器；同时根据电流的分布特点，进一步修改普通微带天线的结构进行仿真优化。2.根据权利要求1所述的特征模理论的高增益天线设计方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1a)在feko软件中建立普通微带天线模型，设置求解频率以及求解模式数，进行特征模式分析；(1b)在feko软件中对普通微带天线模型进行网格剖分，依据网格剖分结果对下列公式进行求解：xj
n
＝λ
n
rj
n
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，x和r分别是阻抗矩阵的虚部和实部；特征值λ
n
表示为储能与辐射的比值，当λ
n
＝0时，表示辐射体没有储能，全部能量被辐射出去，特征值λ
n
越接近于0，表示此时的辐射体辐射能力越强；j
n
是第n个模式的电流，同时辐射体表面总电流j表现为：j＝∑
n
α
n
j
n
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，α
n
为模式权重系数，表示第n模式在总电流中的贡献度；α
n
表示为：其中，e
i
表示特征电场；在计算公式(1)的同时，feko软件依据下列公式计算第n个模式的ms值：ms的值为[0,1]，当ms的值为1时，代表第n个模式的辐射能力最强，定义ms大于0.707的频段为辐射频段；(1c)获取普通微带天线的ms值，并绘制ms关于频率的分布图；通过ms曲线观察模式电流，找出普通微带天线的高次模式。3.根据权利要求1所述的特征模理论的高增益天线设计方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是指：观察高次模式中反向电流所处的位置，在矩形辐射贴片上根据反向电流的位置开槽，挖去反向电流所处的位置处的矩形辐射贴片。4.根据权利要求1所述的特征模理论的高增益天线设计方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：(3a)对去除反向电流的普通微带天线再一次进行特征模分析，绘制ms曲线关于频率的变化图，通过模式电流找到去除反向电流的高次模式，并记录下该高次模式ms等于1的频率
值；(3b)观察ms等于1的高次模式电流图，在电流最大的位置处加入两个对称的同轴探针，即第一同轴探针和第二同轴探针，得到馈电端口；观察两个同轴探针分别激励时α
n
的幅度和相位，记录下此时的相位差；α
n
为模式权重系数，表示第n模式在总电流中的贡献度。5.根据权利要求1所述的特征模理论的高增益天线设计方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括以下步骤：(4a)设计一个一分二并且具有相位差的功分器作为馈电端口的输入，所述功分器印刷在第二介质板的一侧板面上，第二介质板的另一侧板面上印刷金属地，金属地印刷在第一介质板和第二介质板之间，第一介质板的另一侧板面上印刷矩形辐射贴片，功分器的两端分别连接第一金属圆柱和第二金属圆柱，第一金属圆柱和第二金属圆柱依次穿过第二介质板、金属地、第一介质板与矩形辐射贴片连接；(4b)将去除反向电流的普通微带天线的矩形辐射贴片的窄边进行弯折，随后进行仿真优化。
技术总结本发明涉及一种特征模理论的高增益天线设计方法，包括：对普通微带天线进行特征模式分析，得出高次模式的模式电流分布；去除高次模式中的反向电流；进行再一次的特征模式分析，找到高次模式，并根据高次模式电流的分布设置馈电端口，记录下馈电端口的激励情况；根据馈电端口的信息，设计一个能替代该馈电端口的功分器；同时根据电流的分布特点，进一步修改普通微带天线的结构进行仿真优化。本发明使用特征模理论计算辐射体的高次模式，并根据高次模式电流的分布进行开槽，去除反向电流对增益的影响；使用特征模理论指导天线的馈电设计，减小整体天线设计的工作量和难度；本发明所设计的结构简单，增益较高，并具有高方向性。并具有高方向性。并具有高方向性。
技术研发人员：程光尚 楚佰通 黄志祥 杨利霞
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1
