基于特征模理论的系统天线设计方法

三、应用

通过特征模分析，可以直接得到天线各个模式的特征值（λ_n）、特征电流（J_n）、特征角（CA）、模式电流系数MS等，在添加端口激励后，可以得到模式激励系数（MEC）、模式加权系数（MWC）、不同模式激励功率、不同模式反射系数与天线效率等。

本节将列举几种常用的线天线和MIMO天线PCB板等，采用FEKO v14版本软件对天线的特征模进行分析。

对于宽频带的特征模分析，进行模式跟踪（Mode tracking）^[8][9]具有挑战，因为随着频率的变化，谐振模式会发生改变，初始的模式编号以起始频点的模式为准，按照能量有高到低进行编号，有些模式会随着频率的改变逐步消失（能量占用比率越来越小），有些新的模式会逐步出现。下边的例子中均应用到模式跟踪技术。还有一种模式跟踪处理技术是确定起始频率的几个模式，在整个宽频范围内只是跟踪这几个确定的模式，这种方式可能会丢失一些新的模式。

典型的特征模分析流程^[10]主要包括三步：基于几何外形的模式分析选择希望的工作模式，选择馈电位置添加激励验证是否得到希望的模式，验证天线的参数是否满足设计的要求。

A、偶极子线天线特征模分析

例1中采用的偶极子天线振子总长度为1.5米，扫频范围为50MHz ~ 400MHz，采样201个频点。

图1、偶极子天线几何模型

图2-1、前三种模式特征值(λn)随频率的变化曲线

图2-2、前三种模式特征角(CA)随频率的变化曲线

图2-3、前三种模式MS随频率的变化曲线以及带宽

图3、反射系数随频率的变化曲线（蓝色曲线天线端口的总反射系数vs. 绿色曲线模式1反射系数vs. 红色曲线模式3反射系数）

图4-1、模式加权系数随频率的变化曲线（蓝色曲线为模式1 vs. 绿色曲线为模式2）

图4-2、端口添加激励后的有源功率（紫色曲线天线总有源功率vs. 蓝色曲线为模式1有源功率vs.绿色曲线为模式3有源功率）

图4-3、端口添加激励后的有源功率（蓝色曲线为模式1有源功率vs.绿色曲线为模式3有源功率），均采用公式计算得到，与图4-2所示的结果吻合

图5-1、前六种模式的振子电流分布

图5-2、前六种模式的3D方向图

B、矩形环天线特征模分析

例2中采用的矩形环形天线边长为0.229米，扫频范围为100MHz ~ 1400MHz，采样131个频点。

图6、前八种模式特征角（CA）随频率的变化曲线

图7、100MHz时前六种模式的电流分布

图8、前八种模式MS随频率的变化曲线

图9、在方形环天线棱边起始点馈电时其端口VSWR与不同模式VSWR随频率的对比曲线

图10、在方形环天线棱边中点位置馈电时其端口VSWR与不同模式VSWR随频率变化的对比曲线

C、MiMO天线特征模分析

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术，当前研究的热点，CMA技术非常适合于MiMO天线的设计应用。

例3中采用的PCB尺寸^[11]为130mm X 70mm，如图11左图所示。该例子^[12]关注与馈电位置的改变的确定以及天线之间的隔离度。图11的右图图片可以看出该PCB板可以工作在两个频段，考虑到在低频段可选择的模式少，优化隔离度比较困难，工作频率采用700~960MHz。

图11、所采用的PCB几何模型(左图)与S11曲线(右图)

图12、前三种模式MS曲线与特征电流云图

由图12可以看出：Mode #1 和#2 电流分布沿着PCB宽边和窄边；mode #3 电流沿着PCB四周环形，Mode 1 和2 非常适合MIMO的分集策略，Mode #3 MS值很低，因此在此频段很难激励。

图13、在中间（左图）与侧边（右图）两种馈电方式下的电流分布

由图13可以看出：馈电点位于中心位置时，天线上电流从两侧边缘流向中间，并通过PCB流向反方向；馈电点位于边缘位置时，天线上电流只有一个方向，并且耦合到PCB的电流同向流动。理解天线的模式电流及PCB的馈电位置的电流流向，将帮助我们激励出希望的模式。

图14、短边馈电不同位置的电流分布与模式加权系数MWC

从图14可以看出：天线支节位于短边时，非常容易激励出mode #1，馈电点位置最好位于中间，在此频段只有mode #1 和mode  #5,  且mode #1 较mode #5大7 dB，期望！

图15、宽边馈电不同位置时电流分布与模式加权系数MWC

从图15可以看出：天线支节位于宽边时，非常容易激励出mode #2，馈电点位置最好位于中间，在此频段只有mode #2和mode  #5,  且mode #2较mode #5大7 dB，期望！，其他馈电方式，会