基于CST的特征模天线设计
基于CST的特征模天线设计
特征模理论是一种基于矩量法发展而来的电磁分析理论，它能够有效揭示天线的工作原理并求解复杂的电磁问题。本文通过一个矩形贴片天线的设计实例，详细展示了基于特征模理论的天线设计流程，包括模式电流分布分析、远场辐射特性研究以及馈电结构设计等关键步骤。
特征模理论简介
特征模理论是在矩量法基础上发展而来的适用于各种电磁辐射和散射问题分析的理论，它有效综合了这两类方法的长处且克服了它们的不足，不仅可以通过明确的物理含义来直观深刻地揭示天线的工作原理，而且能求解任意辐射结构的复杂电磁问题，应用范围广泛。由于特征模分析反映的是导体本身的固有属性，而不需要外加任何馈电结构和激励源，所以在设计天线时，可以通过它首先预测所设计贴片的谐振行为和辐射特性，然后选择或者有目的开缝、切割等来创建需要的工作模式，继而设计合适的馈电结构来实现需要的天线性能。相比于过多依赖知识储备和设计经验的传统全波分析方法，它大大简化了工程问题，提高了设计效率。所以，基于特征模理论的天线设计在过去一些年获得越来越多的关注，成为了研究热点。
设计实例
本节通过一个具体的实例，演示特征模分析法设计天线的具体过程。
模式分析
首先建立典型的矩形贴片模型（图1），在CST软件中设置模式个数为4，进行激励，得到如图2的MS结果。
图1 贴片模型
图2 天线的MS
在图2中可以看到出现4个模式，下面就分析这四个模式的电流和场分布情况。
模式1 6.08GHz 模式2 6.08GHz
模式3 6.43GHz 模式4 6.43GHz
图3 各模式下的电流分布
上图是四个模式的电流分布情况，可以看到模式1和模式2是正交的模式，模式3和模式4电流呈现发散分布，电流分布决定辐射模式，下面给出四个模式情况下的辐射远场。
模式1 6.08GHz 模式2 6.08GHz
模式3 6.43GHz 模式4 6.43GHz
图4 各模式下的远场
上图分别是四个模式下的远场分布，假如我们希望天线定向辐射，也就是z轴呈现最大辐射，那么模式1和模式2就是我们想要的，进而要构造馈电结构，激励起模式1或者模式2的电流分布形式，就可以得到想要的辐射场。
馈电结构设计
本文提出一种“叉”形状的缝隙耦合微带结构（图5），用于激励所需的模式。
图5 天线单元、阵列馈电结构
图6 单元与阵列S11
上图是天线的S11，可以看到在4.2Hz到6.0Hz范围内低于-10dB，实现的宽带特性。
性能测试
最后给出方向图：
4.3GHz
5GHz
5.7GHz
总结
本文给出了经典的特征模天线设计流程，依次从模式电流、远场、馈电结构分析，最后给出了单元和阵列结构，实现了定向辐射的平面天线，并且宽带化，有一定的参考意义。