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如何使用特征模理论实现系统天线的设计
张生
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一、概述
不断提高通信系统的通信容量和质量，是无线通信的永恒主题。随着无线通信技术的迅速发展，人们对天线的设计提出了越来越多的要求。采用超宽带（UWB）技术和多输入多输出（MIMO）技术在提高数据传输率方面具有极大的潜力，MIMO技术能够提高通信系统的信噪比，提高信道容量及抑制信道衰落，对于移动设备来说，需要多单元集成在一起，以减小整个天线的尺寸，就要求MIMO多天线单元之间的互耦较低，以此来实现各路信号之间的低相关性。采用基于矩量法的特征模技术是一种最佳的选择。
特征模分析方法是近年来兴起的一种分析方法，它是应用较为广泛的矩量法结合解析本征模理论求解电磁问题的一类新方法。它为天线设计者提供了一种最佳的天线设计手段，有助于天线设计师了解天线的工作机理。利用分析得到的不同模式信息，掌握其谐振特性以及不同模式的辐射特性等，借助于不同模式特征电流的分布来选择最佳的馈电位置以激发出需要的模式，也有助于指导设计师对天线进行开槽来微调其谐振位置。本文采用FEKO V14版本的特征模分析工具仿真了几种常用天线形式的特征模参数。模式方法为任意复杂形状的电磁问题定义了一系列与解析法类似的本征模式，这些模式可描述电磁问题的本征特性，且模式之间具有正交特性，本征值的大小直接决定了该模式对电磁问题参量的贡献大小。它使得矩量法有了更为清晰的物理景象，天线设计者可以利用模式分析提供的信息，更深入地理解天线的工作原理，设计出性能最优的天线，甚至设计新的天线形式。
二、原理
特征模理论最初由Garbacz在1968年他的博士论文中提出，1971年由Harrington和Mautz通过对角化导体的广义阻抗矩阵，得到了与Garbacz定义的相同模式，在中描述的被称为特征模式理论的公式相对于由Garbacz在提出的更易于推导，并对任意形状的结构体进行了验证是非常有效的。后来Harrington等人对特征模理论进行了扩展，可以处理电解质、磁介质以及电/磁性混合体等。特征模理论自提出以来，在计算电磁学和天线设计等领域受到广泛关注。特征模理论为任意形状的导体定义了一系列相互正交的特征模式，而这些相互正交的特征模式是导体的固有属性，本身具有收敛性和完备性，可以精确的表示电磁问题的解。特征模理论物理概念清晰，可以明确给出电磁结构体的工作机理，同时特征模式仅与电磁结构体的形状，尺寸和工作频率有关，与源点无关，因此便于指导工程设计。
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