天线的种类繁多，形状各异，然其实质是求解满足特定边界条件的电磁场方程。本书从方程的解——模式出发，介绍小型天线的典型模式分析法。面对天线小型化与多功能化的发展趋势，本书提出多模式协同的概念，使用多个模式提升小型天线的性能，并将协同的效果具体归类为三个方面： 扩展工作带宽、增加正交模式和改善辐射方向图，本书用三个章节分别介绍这三方面的内容。本书针对多模式协同技术的每种应用，均提出了一系列的设计方案，并通过实验验证了技术的可行性和优越性。然后，结合移动终端这一载体，基于多模式协同的设计思想，介绍了多款符合移动通信标准的终端天线，为从事天线研发的科技人员提供参考。

第1章绪论

1.1研究背景与意义

电磁波作为一种重要的传播媒质，100多年来得到了广泛的开发与应用。麦克斯韦在1864年推导的麦克斯韦方程组奠定了电磁场理论的基础，赫兹在1886年首次用实验证明了电磁波传递信号的可能性，而马可尼在1899年的跨洋通信第一次将无线电技术从实验室研究推向了大规模商用［1, 2］。自此以后，无线电技术的发展日新月异，并衍生出通信、雷达、广播、电视、导航、遥感等多种应用。这些应用极大地改善了人们的交流与沟通方式，增强了人们认知世界的能力，也改变了整个社会的生产与生活方式。在建设信息化社会的进程中，无线电技术仍将是推动国民经济和社会发展的重要支柱［3］。

在无线电系统中，天线是连接有线电路与无线电波的桥梁，它的表现直接影响着整个系统的性能。根据广泛采用的定义，天线是一种附有导行波与自由空间波互相转换区域的器件［4］。这个定义表明，作为一种转换器件，天线的参数可以分为两个方面。一是电路特性参数，包括输入阻抗、驻波比、频带宽度等； 二是辐射特性参数，包括增益、极化、波束宽度等。不同的需求和应用背景对天线参数的侧重点不同，如移动通信系统侧重信号的空间覆盖，卫星通信系统侧重无线链路的可靠性，而雷达系统则对天线的波束指向和旁瓣非常敏感。这些需求和应用促进了天线形式的多样性发展，也驱动着天线技术的不断改进与创新。综合而言，这些创新主要体现在天线的体积与天线的功能两方面。

(1) 天线体积的小型化。天线的小型化设计自天线诞生以来一直是研究的热点。为了让能量有效辐射，天线的物理尺寸需要与工作波长可比拟，频率越高，对应的波长越短。因此，提高天线的工作频率是实现天线小型化的重要方式。早期的无线电系统工作在短波频段，采用的天线体积较大，严重制约了天线的应用场合。随着半导体技术的飞速发展，无线电系统的工作频率越来越高，对应的天线尺寸也越来越小。随着工作频率从微波频段向毫米波频段，甚至太赫兹频段扩展，天线尺寸继续减小，乃至实现与微波电路的集成(MMIC)。另一方面，在工作频率不变的情况下，天线技术的发展也极大地促进了天线的小型化。图1.1为移动终端(手机)外观和尺寸的发展历程。在短短30多年里，手机体积经历了由大到小、再由小变大的变化过程，而且屏幕占比越来越大。手机的天线也从外置发展为内置，厚度由厚变薄，天线在手机整体尺寸的占比越来越小［5］。

图1.1移动终端(手机)外观和尺寸的发展历程

(2) 天线功能的多样化。在天线体积减小的同时，天线需要支持的功能越来越多。随着物质文化的发展，人们已不再满足于单纯的语音通信，高速互联网接入、高清图像、实时视频等多种综合业务得到了快速推广。为了承载这些功能，越来越多的技术被应用到无线通信系统中。以移动通信为例，移动通信在过去30多年里经历了四次跨越式发展，如图1.2所示［6］。移动通信标准基本每10年进行一次升级换代，伴随着每次标准升级，移动通信的传输速率也有了较大的提高，从最初的bps提升到kbps，再到现在的Mbps，未来将达到Gbps。在现阶段，随着移动互联网、物联网、虚拟现实等新需求的兴起，移动通信正朝着传输速率更快、网络接入更方便的第五代移动通信标准(5G)演进。

图1.2移动通信标准的演进

为了支持高速无线数据传输，天线需要从多个方面提高性能。根据香农公式，增加天线的工作带宽是提升传输速率最直接的方式。同样以移动通信为例，表1.1对比了不同移动通信标准(系统)对频段的要求。第二代移动通信标准(2G)只有四个频段，而第四代移动通信标准(4G)的工作频段增加到了八个。另一方面，考虑到电磁频谱是一种有限的资源，提高频谱利用率是另一种提升传输速率的有效方式。多输入多输出(MIMO)技术是用空间换取高频谱利用率的典型方法，通过在发射端和接收端布置多个独立的天线，MIMO技术能在不增加天线带宽的情况下，成倍地提高无线信道的容量。此外，天线的多功能性还体现在对新技术的支持，例如，载波聚合(CA)技术是未来移动通信的重要技术，它能有效利用分散在不同频段内的频谱资源。为了降低电路的复杂度，各个子载波之间的独立性可由具有高隔离的多端口天线提供。

表1.1典型无线通信标准(系统)的频谱划分

通信标准(系统)

工作频段

带宽/MHz

兼容性

2G

GSM850

824~894

GSM900

880~960

DCS

1710~1880

PCS

1850~1990

无

3G

UMTS

1920~2170

兼容2G

4G

LTE700

698~787

LTE2300

2300~2400

LTE2500

2500~2690

兼容2G和3G

天线功能的多样化不仅体现在电路特性参数的改善，还体现在对天线波束的控制上。当辐射功率一定时，宽波束能够提供较广的空间覆盖，而窄波束的传播距离更远。另一方面，当服务对象处于运动状态时，实时的波束跟踪能够提供良好的用户体验。为了产生特定指向的波束，使得能量更有效的被辐射，智能天线和大规模MIMO阵列逐渐成为研究的热点。通过控制单元的幅度和相位，MIMO技术能够实现天线波束的实时动态配置。

天线体积的小型化与功能的多样化是相互矛盾的，它们对天线的研制提出了巨大的挑战。功能型小天线［7］将小型化与多功能化综合考虑，它不需要天线是电小的(天线尺寸远小于工作波长)，而是要求在给定天线尺寸的前提下实现更多或更好的功能。因此，如何提高功能型小天线的各项指标，使其更好地支持无线通信的发展，是一个值得深入探讨的课题。

伴随着天线需求和功能的快速增长，天线的设计方法也发生了巨大的变化。早期的设计偏重理论推导，基本设计思路是根据麦克斯韦方程组和边界条件求出特定问题的解析解，然后根据经验将一些典型的、几何形状规则的天线总结为模型，并做一定的推广。然而，解析法的通用性不足，难以分析不规则形状或具有多种介电常数的天线。随着计算机技术的飞速发展，利用计算机辅助计算天线参数逐渐成为现代天线设计的主流方式。这类数值分析法通过对天线进行网格剖分，将天线结构离散为一系列的微小单元，再利用数值算法进行计算。由于对天线的结构和介质等没有要求，数值法具有较强的通用性，能够满足绝大多数的天线设计需求。典型的数值算法有有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)和矩量法(MoM)等。基于这些数值算法，目前有许多成熟的商用全波仿真软件可以使用，如HFSS、CST、FEKO和IE3D等，这些软件极大地降低了天线设计的门槛，也减轻了天线设计者的工作量。然而，过度依赖仿真软件会让我们忽略天线的基本工作原理，陷入不断扫描参数、不断试错的循环中。无意义的尝试会增加仿真的时间，反而使设计变得低效。因此，如何更好地将解析法与数值分析法相结合，发挥两者的优势，对设计满足现代无线通信需求的天线具有非常重要的指导意义。

1.2国内外研究现状

本课题的研究对象为功能型小天线。考虑到天线的种类繁多，侧重的功能也不尽相同，为了尽可能全面地了解功能型小天线的研究现状，我们从有效性与可靠性这两个最基本的衡量标准出发，对相关文献进行了系统的调研与分类，总结得到如图1.3所示的调研框图。从图中可以看出，宽频带与多天线是提升传输速率的有效手段，对波束的调控则能有效提升传输质量。基于这种分类方法，我们将详细介绍小型宽频带天线、多通道MIMO天线以及波束调控天线这三种类型天线的研究现状。

图1.3文献调研框图

1.2.1小型宽频带天线

天线的工作带宽是衡量天线性能的重要参数，它是指天线的各项指标满足需求时的频带宽度［4］。一般地，以抛物面为代表的电大天线用增益来定义带宽，以偶极子为代表的小型天线用反射系数来定义天线的工作带宽。对于小型宽频带天线，如果以极化细分，可以进一步分为三类： 

线极化宽频带天线、

圆极化宽频带天线

和任意极化宽频带天线。

第一类天线要求输入阻抗满足要求的同时保持频带内的线极化特性不变，这类天线的典型应用场景是移动基站［8］。对这类天线，增加阻抗带宽常用的方法有三种，如图1.4所示，包括增加电流路径［911］、集总元件或分布式元件加载［1214］和天线加载［1519］。增加电流路径是增加带宽的典型方式，它利用开槽、缝隙、折叠等技术改变已有的电流路径或者增加新的电流路径。清华大学的杨帆教授通过在矩形贴片上刻槽设计了经典的E形贴片天线［9］，这种结构在矩形贴片模式的基础上增加了一个新的模式，从而将天线带宽扩展了30%。元件加载是指在天线的合适位置增加电感、电容或者电阻，从而达到改善电流分布的目的，例如文献［12］用多个短路柱加载中心馈电的圆形贴片。短路柱不仅能固定悬浮贴片，而且充当着分布式电感的作用，它能有效改善贴片上的电流分布，该天线在138%的带宽内保持了稳定的单极子工作模式。天线加载是指用一个天线去激励另一个天线，通过耦合等方式来扩展带宽。基于该思想，文献［15］设计了一款环加载的单极子天线。寄生环的引入不仅增加了新的谐振结构，而且改善了已有单极子的电流分布。该天线用单层板实现了12.8%的带宽，而且频带内的方向图稳定。其他常见的天线加载形式还有偶极子加载偶极子［16, 17］、环加载贴片［18, 19］等。

图1.4增加线极化天线的带宽

(a) 增加电流路径； (b) 元件加载； (c) 天线加载

第二类天线的工作带宽由阻抗带宽与轴比带宽共同决定，典型的应用场景是卫星通信［20］。圆极化电磁波能有效抵抗极化失真以及信号在大气传播中的法拉第旋转效应［21］，然而，在宽带范围内实现圆极化要比实现线极化难度大。微带贴片天线是产生圆极化波的常用形式，这种天线具有低剖面、易加工和低成本等优势，但也有高Q值、窄带宽的不足。为了扩展贴片天线的带宽，常用的技术手段是将多个贴片堆叠起来，通过增加天线厚度改善轴比带宽。图1.5为两种典型的

图1.5通过堆叠增加轴比带宽

(a) 旋转单元； (b) 改变尺寸

贴片堆叠技术。第一种技术将相同尺寸的线极化贴片堆叠在一起，通过旋转贴片产生圆极化［22, 23］，例如，文献［22］按照30°的旋转角度在不同高度上放置四个同样大小的贴片。虽然每个单元工作在线极化状态，但通过空间旋转和贴片的耦合可以调节各电场分量的大小和方向，使得合成的电场在轴向为圆极化。测试的轴比(AR)带宽达到了33.6%。第二种技术将不同尺寸的圆极化贴片堆叠在一起，通过调整各个贴片的大小产生不同的谐振频率点［24, 25］。由于每个贴片均工作在圆极化状态，多个谐振点结合在一起可扩展轴比带宽，例如，文献［24］用一个探针耦合馈电两个切角的圆极化贴片天线，在0.17λ的高度下实现了20%的轴比带宽。在这两种方法中，天线的厚度是影响贴片天线轴比带宽的重要因素，当厚度固定时，可以通过优化贴片的形状和馈电结构来进一步增加带宽。

第三类天线的工作带宽仅由输入阻抗决定，工作频带内的极化可以任意变化。典型的应用场景是移动终端天线［26］。随着移动通信的飞速发展，移动终端天线经历了一个由外置到内置、由厚到薄的发展过程。移动通信要求的带宽越来越宽，传统单一的天线形式，如平面倒F天线(PIFA)、槽天线、单极子天线、环天线等，由于尺寸的减小很难覆盖当前的通信频段。为了扩展移动终端天线的带宽，目前的技术手段主要有两种： 一是将多个天线组合起来形成多个模式，二是用集总或分布式元件进行阻抗匹配。台湾的Wong K L教授、成都电子科技大学的班永灵教授和华南理工大学的李融林教授等研究组在这个领域开展了深入研究［2732］。图1.6给出了应用这两种技术设计的天线实例。用多个天线分支产生多个谐振点的思路比较直观，通过组合这些谐振频率相近的谐振点，天线的阻抗带宽可以得到极大地扩展，例如，文献［27］设计的天线将单极子、偶极子和折叠环等结构集成在一个50 mm×13 mm×5 mm的空间内，覆盖了698~960 MHz频段以及1710~2170 MHz频段。使用分布式元件或集总元件匹配的关键在于找到影响电流分布的关键位置，例如，文献［32］采用集总元件减小天线尺寸，在15 mm×25 mm×4 mm的空间内覆盖了4G标准的所有频段。

图1.6扩展移动终端天线的带宽

(a) 多分支结构； (b) 元件匹配

通过对已有小型宽带天线的研究现状进行总结，我们发现，虽然扩展天线带宽的方式多种多样，但是基本可以归结为单天线多模式和多谐振体多模式这两种设计思路。前者通过一定的手段让天线产生新的谐振模式或者移动已有模式的频率来扩展带宽，这种方法的优势在于天线尺寸可以做得比较小，后者通过添加多个谐振结构，将多个相邻的谐振模式组合起来扩展带宽，这种方法的优势在于可以较独立的调节各个模式。

1.2.2多通道MIMO天线

MIMO天线技术最初由马可尼引入无线通信系统中。他在1908年尝试用多副天线来抵抗无线信道中的信号衰落［33］。MIMO技术作为一种信道扩容技术始于20世纪90年代，贝尔实验室的学者首次从理论上证明了MIMO技术可以成倍增加信道容量［34］。此后，MIMO技术迅速成为研究的热点。截止到2016年3月，在IEEE数据库中以MIMO为关键词进行检索，可检索到上万篇文献。MIMO技术的核心在于构建多个独立的通道，通过在收发端布置多副天线，以空间的堆砌换取高的频谱利用率。多天线之间的耦合是影响通道独立性的重要因素，目前已有多种技术可用来降低单元间的互耦。根据降低互耦的方式进行划分，当前的MIMO天线技术可以分为三类： 

空间MIMO、

极化MIMO和

轨道角动量(OAM)新技术。

空间MIMO是指将性能相同的一系列天线单元在空间上按照一定规律排布，通过较大的空间距离保证各通道的独立。然而，当天线间的间距减小时，天线间的互耦将出现严重恶化。为了降低互耦，需要增加一个解耦网络，该网络将引入一个新的受控的耦合，让新的耦合抵消之前存在的耦合，从而达到端口隔离的目的。图1.7展示了一些常用的解耦技术，包括引入寄生单元［35］、在地板上刻槽［36］、在地板上引入隔离支节［37］、引入中和线［38］和使用集总元件［39］等。基于这些技术，过去几十年间业界涌现了许多优秀的MIMO天线设计，例如，文献［35］通过在天线单元附近引入两个寄生单极子分支来构造新的电流路径，两副天线间的耦合从-8 dB降低到了-20 dB； 文献［36］通过在地板上刻蚀弯折型开口槽来改变电流路径，在11 mm×50 mm的空间内实现了2.4~2.8 GHz频段内的15 dB端口隔离； 文献［37］通过在地板上增加T形寄生地分支来引入新的耦合； 文献［38］中的结构在两个天线单元之间引入了三条中和线来解耦； 文献［39］利用集总电容和电感搭建了一个解耦电路，极大减小了解耦网络占用的空间。这些设计均具有工作原理清晰，天线尺寸较小，端口隔离度高等优点。

图1.7带有解耦网络的空间MIMO天线

(a) 引入寄生单元； (b) 地板上刻槽； (c) 引入隔离支节； (d) 引入中和线； (e) 使用集总元件

极化MIMO利用极化的正交性来实现高隔离度。与空间MIMO相比，极化MIMO有三个比较明显的优势［40］。一是端口隔离度高，不同极化之间的正交性由天线本身的辐射特性决定，不需要额外的解耦网络也能实现低互耦。二是天线尺寸小，不同极化可以共存于同一个天线，它利用空间的旋转实现正交，因而对单元间的距离没有要求。三是极化捷变，电磁波在传播过程中极化可能会发生旋转，极化MIMO可有效利用极化这一维度信息，能有效减小由复杂传播环境引起的多径衰减效应。根据极化状态数量，极化MIMO天线可以分为双极化天线与三极化天线。

双极化天线理论上能提供两条独立的MIMO信道，且两个极化的辐射方向一致。左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)、水平线极化(HP)和垂直线极化(VP)是两种常见的双极化天线类型，尤其是后者的应用更广泛。实现HP/VP双极化的形式种类繁多，常见的类型如图1.8所示，包括偶极子天线、槽天线、环天线、贴片天线和介质谐振天线等。基于这些基本形式的变化很多，例如，文献［41］使用两对正交放置的电磁偶极子实现双极化； 文献［42］使用两个正交的馈电网络激励同一个三角形槽产生双极化； 文献［43］利用CPW的奇模和偶模来激励方形槽的两个极化； 文献［44］中的天线构造了两个平衡馈电网络来激励圆形贴片的两个正交模式； 文献［45］中的介质谐振天线可被两个正交放置的馈电网络激励。由于被激励的两个极化在空间正交，这些设计均不需要额外的解耦网络。

图1.8不同类型的双极化天线

(a) 偶极子天线； (b) 槽天线； (c) 环天线； (d) 贴片天线； (e) 介质谐振天线

考虑到辐射天线自身的特性不同，它们对应的天线带宽也有较大的区别。通过对比已有文献，将这些天线类型的优缺点总结在表1.2中。

表1.2双极化天线优缺点比较

天 线 类 型

优势

劣势

偶极子

宽带

三维结构

贴片

定向辐射

带宽窄

介质谐振天线

定向辐射

三维结构

槽天线

平面结构，便于组阵

需要背腔

环天线

平面结构，尺寸小

需要背腔

在近距离通信等散射丰富的场景，三极化天线可进一步提升MIMO系统的信道数量。在双极化天线的基础上，三极化天线通过添加一个与传播方向一致的极化，提供一个新的信道。考虑到天线结构以及加工工艺，双极化贴片天线和双极化介质谐振天线比较适合改造为三极化天线。图1.9为两种类型的三极化天线，两者均在中心位置增加了一个单极子。清华大学的张志军教授组［46, 47］和香港城市大学的Leung K W教授组［48］在这方面做了一系列工作。图1.9为两个三极化天线实例。文献［46］用两个槽激励起微带环产生两个朝天顶辐射的极化，再通过顶端加载的单极子产生第三个极化； 文献［48］中，介质谐振天线的两个HEM12δ+1模式和一个TM01δ模式

目录

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1小型宽频带天线

1.2.2多通道MIMO天线

1.2.3波束调控天线

1.3主要研究内容

第2章多模式协同分析法

2.1引言

2.2模式的定义

2.2.1基本波函数

2.2.2边界条件

2.3典型的模式分析法

2.3.1球面波分析法

2.3.2谐振腔模型

2.3.3介质波导模型

2.4本征模分析法

2.4.1本征模理论

2.4.2本征模应用实例

2.5多模式协同分析法

2.5.1多模式协同扩展带宽

2.5.2多模式协同增加正交模式

2.5.3多模式协同改善方向图

2.6本章小结

第3章多模式协同扩展带宽

3.1引言

3.2折合偶极子与半波偶极子天线

3.2.1天线结构设计

3.2.2工作原理分析

3.2.3天线仿真与测试结果

3.3宽带圆极化微带天线

3.3.1天线结构设计

3.3.2工作原理分析

3.3.3天线仿真与测试结果

3.4宽带圆极化贴片天线阵列设计

3.4.1阵列天线结构设计

3.4.2阵列的工作原理分析

3.4.3关键参数分析

3.4.4阵列的仿真与测试结果

3.5本章小结

第4章多模式协同增加正交模式

4.1引言

4.2双极化贴片天线设计

4.2.1天线结构设计

4.2.2工作原理分析

4.2.3天线仿真与测试结果

4.3三极化介质天线设计

4.3.1介质谐振天线结构

4.3.2介质包裹的单极子天线

4.4状态可调的轨道角动量波的产生与检测

4.4.1环形贴片阵列设计

4.4.2OAM波的产生

4.4.3OAM波的近场扫描

4.5本章小结

第5章多模式协同改善方向图

5.1引言

5.2三维全向单极子天线设计

5.2.1天线结构设计

5.2.2工作原理分析

5.2.3天线仿真与测试结果

5.3三维全向折叠槽天线设计

5.3.1三维全向性分析

5.3.2仿真结果讨论

5.4上半球面圆极化覆盖天线设计

5.4.1天线结构设计

5.4.2工作原理分析

5.4.3上半球面圆极化覆盖

5.4.4天线仿真与测试结果

5.5上半球面三维零点扫描天线设计

5.5.1上半球面圆极化天线设计

5.5.2天线仿真与测试结果分析

5.5.3三维零点扫描

5.6本章小结

第6章移动终端天线中的多模式协同

6.1引言

6.2八频段平面天线设计

6.2.1天线结构设计

6.2.2工作原理分析

6.2.3天线仿真和测试结果

6.3七频段平面天线设计

6.3.1天线结构设计

6.3.2工作原理分析

6.3.3天线仿真与测试结果

6.4基于本征模理论的移动终端MIMO天线设计

6.4.1天线建模

6.4.2实验结果分析

6.4.3高频段的覆盖

6.5本章小结

第7章总结及展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢