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2023 Altair 電磁仿真技術(shù)大會

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論文摘要

無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展對天線小型化提出了苛刻的要求。本文介紹了一種小型化超構(gòu)表面天線的設(shè)計，該天線由四層等間距平行放置的電磁超構(gòu)表面組成，每層超構(gòu)表面由3×3的方形貼片組成的陣列組成。文章基于 Altair^?Feko^?對該天線進行了特征模式分析（CMA），并通過特征模式的近、遠場和表面電流的分布闡明了該天線的工作機理和實現(xiàn)小型化的基本原理。

仿真結(jié)果表明，該天線的尺寸為30 mm×30 mm時，諧振頻率為3.5 GHz，電尺寸為0.35λ0×0.35λ0（λ0是頻率在3.5GHz時的真空波長），相比同類型超構(gòu)表面天線，實現(xiàn)了天線體積的顯著縮減。同時，該天線的高度僅為6.096 mm （或0.07λ0），保持了微帶貼片天線低剖面的優(yōu)點。

圖1 超構(gòu)表面天線的結(jié)構(gòu)^[1]

論文概述

隨著超大規(guī)模多輸入多輸出天線技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)對高性能小型化天線的需求日益增長。傳統(tǒng)的微帶貼片天線，有體積小、重量輕、低剖面、易共型等特點。實現(xiàn)微帶貼片天線小型化的方法包括使用高介電常數(shù)或高磁導(dǎo)率的介質(zhì)基板、引入結(jié)構(gòu)加載等^[2]-[4]，另一種方法是引入超構(gòu)表面^[5]。超構(gòu)表面是由亞波長單元陣列組成的，具有調(diào)控電磁波的能力^[6]-[7]。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，通常會關(guān)注無限大、具有周期性的邊界條件、由遠場平面波激勵的超構(gòu)表面。但本次設(shè)計關(guān)注的是有限大、具有非周期性邊界條件、近場激勵的超構(gòu)表面，所以傳統(tǒng)的分析方法不再適用^[8]-[15]。因此本文使用了特征模式分析的方法來分析該超構(gòu)表面天線。

基于特征模式理論可以求解任意形狀導(dǎo)體的特征模式，這些特征模式相互正交，僅與導(dǎo)體的材料、形狀和所處環(huán)境相關(guān)，電磁問題的解可以表示為模式的加權(quán)^[16]。特征模式分析方法是一種有效的天線分析和設(shè)計方法，可以提供清晰的物理洞見以明確給出電磁結(jié)構(gòu)提的工作機理，從而幫助研究人員和工程師應(yīng)對挑戰(zhàn)性的天線分析和設(shè)計問題。同時特征模式僅與電磁結(jié)構(gòu)體的形狀、尺寸和工作頻率有關(guān)，與饋源無關(guān)，通過特征模式分析得到天線的特征角、近場遠場、模式電流系數(shù)（modal significance，MS）和模式加權(quán)系數(shù)（modal weighting coefficient, MWC）等，在決定激勵源之前就能進行性能分析，便于指導(dǎo)工程設(shè)計和優(yōu)化。

由于超構(gòu)表面的組成較為復(fù)雜，分析過程中需要較為復(fù)雜且精細的網(wǎng)格，仿真分析較為困難。Altair HyperMesh 可以較好地應(yīng)對此類問題，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格進行高質(zhì)量的優(yōu)化和調(diào)整，在此基礎(chǔ)上可利用 Feko 的求解器對多尺度復(fù)雜電磁問題進行高效而精確的求解，應(yīng)用于微波器件、天線設(shè)計、天線布局、電磁兼容、雷達散射截面等問題的仿真、設(shè)計和優(yōu)化。

本文基于 Feko 對小型化超構(gòu)表面天線進行了仿真分析，闡明了該天線的小型化原理和工作模式，為進一步實現(xiàn)大規(guī)模多天線系統(tǒng)提供了新的思路和解決方案。

模型的建立

本文所研究的超構(gòu)表面天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，四層容性超構(gòu)表面間的間距為D = 1.524 mm，平行放置于無限大地板上。每層超構(gòu)表面由3×3的方形金屬貼片陣列組成。超構(gòu)表面總的寬度為W = 0.35λ0，λ0是頻率在3.5 GHz時的真空波長。貼片之間的縫隙寬度為S = 0.73 mm。超構(gòu)表面間的介質(zhì)層的厚度為1.524 mm，相對介電常數(shù)為3.38。

圖 2 天線的MS

在 CADFEKO 中對該天線的幾何模型進行建模之后，需要對其進行材料設(shè)置、網(wǎng)格設(shè)置、設(shè)置要觀察的結(jié)果。繪制的幾何結(jié)構(gòu)的材料默認是完美電導(dǎo)體，將介質(zhì)區(qū)域根據(jù)實際情況設(shè)置為有介電常數(shù)的層。進行網(wǎng)格劃分時，在沒有精密幾何結(jié)構(gòu)、窄縫隙的情況下，可以使用 Global mesh sizes 進行網(wǎng)格劃分。若是對網(wǎng)格要求較嚴格，可以使用 HyperMesh 對網(wǎng)格進行進一步優(yōu)化。特征模式分析的目的是觀察該天線存在的特征模式、MS 和 MWC，了解該天線的工作機理，指導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以激勵需要的特征模式輻射。

仿真與技術(shù)結(jié)果

特征模式分析中一個重要的度量參數(shù)是 MS，用于研究諧振結(jié)構(gòu)的諧振特性。MS 可以顯示出結(jié)構(gòu)中有哪些內(nèi)在的諧振模式，并且與激勵無關(guān)。MS 的取值范圍是0到1，若在觀察的頻率下 MS 等于1，說明該結(jié)構(gòu)在該頻率下處于諧振狀態(tài)。通過 Feko 的特征模式分析，圖2給出了計算出的該天線的前兩個簡并模式的 MS，可以看到，在工作頻率等于3.5 GHz 時，模式2和模式3的 MS 為1，說明模式2和模式3在 3.5 GHz 附近諧振。模式1的諧振頻率不在本次研究的頻率范圍內(nèi)，所以不做考慮。

特征模式的近場遠場和表面電流可用于理解該結(jié)構(gòu)的基本工作原理。通過 Feko 可以觀察每個模式的近場遠場和表面電流密度分布。圖3(a)是模式3的三維遠場方向圖，圖3(b)是模式3的表面電流密度分布，圖3(c)是模式3的二維電場圖?？梢钥吹?，模式3是 TM01 模式，其最大輻射方向垂直于天線表面，表面電流沿著+y方向。

特征模式分析中另外的重要的度量參數(shù)有模式激勵系數(shù)（modal excitation coefficient， MEC）和模式加權(quán)系數(shù) MWC。前者 MEC 由模式電流與激勵場決定，后者 MWC 為 MS 與 MEC 的乘積，用于確定天線工作的模式并表示不同模式電流在總電流中的呈現(xiàn)度。若在觀察的頻率下一個模式的 MWC 接近于0，說明該模式在這個頻率沒有被激勵起來。

如圖4為通過 Feko 計算的該天線模式2和模式3的 MWC，可以看到，僅有模式3被有效激勵。

圖3 模式3的遠場方向圖、表面電流、E面電場

圖4 該天線的MWC

圖5 該天線的|S11|

圖5所示為基于Altair Feko矩量法求解器得到的天線的端口反射系數(shù)的幅值，對于|S11|

結(jié)論

本文基于 Feko 電磁仿真軟件的矩量法和特征模求解器，對一種復(fù)雜的小型化超構(gòu)表面天線進行了分析。通過觀察該天線的 MS、MWC，確定了天線的工作模式。通過對該模式的近、遠場分布以及表面電流密度的觀察，闡明了該天線的工作原理和實現(xiàn)小型化的物理機理。最終所設(shè)計的天線工作于 TM01 模式，在電尺寸為0.35λ0×0.35λ0×0.07λ0的條件下，覆蓋了3.4-3.8 GHz 頻段范圍，可以用于小型化無線通信基站。

表1 高性能超構(gòu)表面天線的尺寸比較

參考文獻：

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*本論文來自 2021 Altair 技術(shù)大會論文投稿

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