前言：

特征模理論是在矩量法基礎上發展而來的適用于各種電磁輻射和散射問題分析的理論，它有效綜合了這兩類方法的長處且克服了它們的不足，不僅可以通過明確的物理含義來直觀深刻地揭示天線的工作原理，而且能求解任意輻射結構的復雜電磁問題，應用范圍廣泛。由于特征模分析反映的是導體本身的固有屬性，而不需要外加任何饋電結構和激勵源，所以在設計天線時，可以通過它首先預測所設計貼片的諧振行為和輻射特性，然后選擇或者有目的開縫、切割等來創建需要的工作模式，繼而設計合適的饋電結構來實現需要的天線性能。相比于過多依賴知識儲備和設計經驗的傳統全波分析方法，它大大簡化了工程問題，提高了設計效率。所以，基于特征模理論的天線設計在過去一些年獲得越來越多的關注，成為了研究熱點。

特征模分析方法設計天線的思路一般為：首先利用特征模理論研究特征模的模式電流分布和遠場輻射特性，然后根據需要的天線輻射特性，選擇合適的特征模作為工作模式，接下來設計合理的饋電形式，激勵起所需要的模式，形成所需要的性能天線。

設計實例

本節通過一個具體的實例，演示特征模分析法設計天線的具體過程。

首先建立典型的矩形貼片模型如圖1，在CST軟件中設置模式個數為4，進行激勵，得到如圖2的MS結果。

圖1 貼片模型

圖2 天線的MS

在圖2中可以看到出現4個模式，下面就分析這四個模式的電流和場分布情況。

模式1 6.08GHz 模式2 6.08GHz

模式3 6.43GHz 模式4 6.43GHz

圖3 各模式下的電流分布

上圖是四個模式的電流分布情況，可以看到模式1和模式2是正交的模式，模式3和模式4電流呈現發散分布，電流分布決定輻射模式，下面給出四個模式情況下的輻射遠場。

模式1 6.08GHz 模式2 6.08GHz

模式3 6.43GHz 模式4 6.43GHz

圖4 各模式下的遠場

上圖分別是四個模式下的遠場分布，假如我們希望天線定向輻射，也就是z軸呈現最大輻射，那么模式1和模式2就是我們想要的，進而要構造饋電結構，激勵起模式1或者模式2的電流分布形式，就可以得到想要的輻射場。本文提出一種“叉”形狀的縫隙耦合微帶結構，如下圖5.

圖5 天線單元、陣列饋電結構

圖6 單元與陣列S11

上圖是天線的S11，可以看到在4.2Hz到6.0Hz范圍內低于-10dB，實現的寬帶特性。最后給方向圖如下

4.3GHz

5GHz

5.7GHz

總結

給出了經典的特征模天線設計流程，依次從模式電流、遠場、饋電結構分析，最后給出了單元和陣列結構，實現了定向輻射的平面天線，并且寬帶化，有一定的參考意義。

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