點擊藍字“Altair澳汰爾”設為置頂

(資料圖片僅供參考)

第一時間獲取海量技術干貨

2023 Altair 電磁仿真技術大會

論文征集啟動

2023 Altair 電磁仿真技術大會將于今年7月在西安舉辦。本次大會將為您帶來從直流、低頻到高頻的全頻域電磁熱點話題的技術分享。

在此，我們特向廣大用戶征集相關應用論文，所有論文一經錄用，將收集至 “Altair 論文集”供所有參會代表學習和借鑒，論文作者將獲得豐厚稿酬獎勵。

↑↑↑點擊圖片了解更多論文征集要求

論文摘要

無線通信技術的迅速發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表面天線的設計，該天線由四層等間距平行放置的電磁超構表面組成，每層超構表面由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小型化的基本原理。

仿真結果表明，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），相比同類型超構表面天線，實現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點。

圖1 超構表面天線的結構^[1]

論文概述

隨著超大規模多輸入多輸出天線技術的發展，無線網絡對高性能小型化天線的需求日益增長。傳統的微帶貼片天線，有體積小、重量輕、低剖面、易共型等特點。實現微帶貼片天線小型化的方法包括使用高介電常數或高磁導率的介質基板、引入結構加載等^[2]-[4]，另一種方法是引入超構表面^[5]。超構表面是由亞波長單元陣列組成的，具有調控電磁波的能力^[6]-[7]。在傳統的設計中，通常會關注無限大、具有周期性的邊界條件、由遠場平面波激勵的超構表面。但本次設計關注的是有限大、具有非周期性邊界條件、近場激勵的超構表面，所以傳統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表面天線。

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

由于超構表面的組成較為復雜，分析過程中需要較為復雜且精細的網格，仿真分析較為困難。Altair HyperMesh 可以較好地應對此類問題，對復雜結構的網格進行高質量的優化和調整，在此基礎上可利用 Feko 的求解器對多尺度復雜電磁問題進行高效而精確的求解，應用于微波器件、天線設計、天線布局、電磁兼容、雷達散射截面等問題的仿真、設計和優化。

本文基于 Feko 對小型化超構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，為進一步實現大規模多天線系統提供了新的思路和解決方案。

模型的建立

本文所研究的超構表面天線結構如圖1所示，四層容性超構表面間的間距為D = 1.524 mm，平行放置于無限大地板上。每層超構表面由3×3的方形金屬貼片陣列組成。超構表面總的寬度為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。超構表面間的介質層的厚度為1.524 mm，相對介電常數為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置、網格設置、設置要觀察的結果。繪制的幾何結構的材料默認是完美電導體，將介質區域根據實際情況設置為有介電常數的層。進行網格劃分時，在沒有精密幾何結構、窄縫隙的情況下，可以使用 Global mesh sizes 進行網格劃分。若是對網格要求較嚴格，可以使用 HyperMesh 對網格進行進一步優化。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，指導饋電網絡的設計以激勵需要的特征模式輻射。

仿真與技術結果

特征模式分析中一個重要的度量參數是 MS，用于研究諧振結構的諧振特性。MS 可以顯示出結構中有哪些內在的諧振模式，并且與激勵無關。MS 的取值范圍是0到1，若在觀察的頻率下 MS 等于1，說明該結構在該頻率下處于諧振狀態。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，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構的基本工作原理。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。可以看到，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有模式激勵系數（modal excitation coefficient， MEC）和模式加權系數 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的幅值，對于|S11|

結論

本文基于 Feko 電磁仿真軟件的矩量法和特征模求解器，對一種復雜的小型化超構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小型化的物理機理。最終所設計的天線工作于 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 高性能超構表面天線的尺寸比較

參考文獻：

[1] Gao JF, Miao SY and Lin FH, “Compact Stacked Impedance-Sheet Resonator Antenna using Characteristic Mode Analysis for 5G and 6G Networks,” 2021 15th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2021, pp. 1-4, doi: 10.23919/EuCAP51087.2021.9411026.

[2] Geambasu DC, Leontin T, Banciu MG, etc, “Compact antenna using ZST low-loss high dielectric constant material,” 2014 22nd Telecommunications Forum Telfor (TELFOR), 2014, pp. 807-809, doi: 10.1109/TELFOR.2014.7034529.

[3] Trippe A, Bhattacharya S and Papapolymerou J, “Compact microstrip antennas on a high relative dielectric constant substrate at 60 GHz,” 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), 2011, pp. 519-520, doi: 10.1109/APS.2011.5996759.

[4] Hu W, Yin Y, Yang X, etc, “Compact Multiresonator-Loaded Planar Antenna for Multiband Operation,” in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 5, pp. 2838-2841, May 2013, doi: 10.1109/TAP.2013.2242819.

[5] Teniou M, Roussel H, Capet N, Piau GP, and Casaletti M, “Implementation of radiating aperture field distribution using tensorial metasurfaces,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 65, no. 11, pp. 5895–5907, Aug. 2017.

[6] Holloway CL, “An overview of the theory and applications of metasurfaces: the two-dimensional equivalents of metamaterials,” IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 54, no. 2, pp. 10–35, Jul. 2012.

[7] Glybovski SB, Tretyakov SA, Belov PA, etc, “Metasurfaces: From microwaves to visible,” Phys. Rep., vol. 634, pp. 1-72, May 2016.

[8] Lin FH, Li T, Chen ZN, “Recent Progress in Metasurface Antennas Using Characteristic Mode Analysis,” 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2019, pp. 1-5.

[9] Lin FH, Chen ZN, Liu W, etc, “A metamaterial[1]based broadband circularly polarized aperture-fed grid-slotted patch antenna,” in Proc. IEEE 4th Asia–Pacific Conf. Antennas Propag. (APCAP), Kuta, Indonesia, Jun. 2015, pp. 353–354.

[10] Lin FH, Chen ZN, “A method of suppressing higher order modes for improving radiation performance of metasurface multiport antennas using characteristic mode analysis,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 4, pp. 1894–1902, Apr. 2018.

[11] Lin FH, Chen ZN, “Low-profile wideband metasurface antennas using characteristic mode analysis,” IEEE Trans. Antennas Propag., 329 vol. 65, no. 4, pp. 1706–1713, Apr. 2017.

[12] Lin FH, Chen ZN, “Probe-fed broadband low-profile metasurface antennas using characteristic mode analysis,” in Proc. 6th Asia–Pacific Conf. Antennas Propag. (APCAP), Oct. 2017, pp. 664– 666.

[13] Lin FH, Chen ZN, “Truncated impedance sheet model for low-profile broadband nonresonant-cell metasurface antennas using characteristic mode analysis,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 10, pp. 5043–5051, Oct. 2018.

[14] Li T, Chen ZN, “A dual-band metasurface antenna using characteristic mode analysis,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 10, pp. 5620–5624, Oct. 2018.

[15] Li T, Chen ZN, “Metasurface-based shared-aperture 5G S-/K-band antenna using characteristic mode analysis,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 12, pp. 6742–6750, Dec. 2018.

[16] Harrington R, Mautz J, “Theory of characteristic modes for conducting bodies,” in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 19, no. 5, pp. 622-628, September 1971, doi: 10.1109/TAP.1971.1139999.

向下滑動查看

*本論文來自 2021 Altair 技術大會論文投稿

關于Altair 澳汰爾

Altair（納斯達克股票代碼：ALTR）是計算科學和智能領域的全球領導者之一，在仿真、高性能計算 (HPC) 和人工智能等領域提供軟件和云解決方案。Altair 能使跨越廣泛行業的企業們在連接的世界中更高效地競爭，并創造更可持續的未來。

公司總部位于美國密歇根州，服務于13000多家全球企業，應用行業包括汽車、消費電子、航空航天、能源、機車車輛、造船、國防軍工、金融、零售等。