单腔多辐射模宽带天线理论与方法的研究

Novel high-performance wideband antenna is one of the key components in future wireless communication systems. General design method is the key to design and analyze these wideband antennas, and developments of these wideband antennas are always challenging and time-consuming. Therefore, novel design method based on new operation mechanism will be beneficial to rapid analysis, design and development of these wideband antennas. Based on the basic concept of multi-mode resonator (MMR) wideband filters developed by the principal investigator (PI), the multiple radiation modes in a single radiator are exited and then employed to design a novel class of wideband antennas in this proposal. Multiple radiation modes are simultaneously excited in a single radiator (i.e., dipole, slot, patch, and so on) at first. Meanwhile, the undesired modes are suppressed such that all the desired ones are properly merged to achieve the wideband radiation characteristics as expected. In this proposed method, no additional complexities and impedance matching accessories are required. The operation principle and design methodology developed in this proposal will lay down the basic foundation in design and exploration of a variety of high-performance multi-mode wideband antennas/arrays for future wireless communications.

新型高性能宽带天线是未来无线通信系统的关键部件之一。机理明确且统一的通用设计方法，是高性能宽带天线的快速分析和高效研制的关键，探索宽带天线的原理性新理论和新方法是天线领域发展的重要课题。本项目以申请人提出的单腔多模宽带谐振理论为基础，以常用的振子/缝隙天线、微带贴片天线作为主要研究实例，研究在保持天线基本结构的前提下，在单个辐射器中的激励出多个辐射模式并抑制无用模式的理论基础与方法，结合辐射模式扰动技术，使其聚合形成宽带辐射特性。本项目旨在揭示多辐射模宽带天线的工作机理，进而提出通用设计方法，可在不增加天线结构复杂度、不引入阻抗匹配网络等馈电附件的条件下，实现性能优良的新型宽带天线，从而为未来无线通信中的高性能宽带天线与阵列设计奠定理论基础，提出通用设计流程，避免低效率的试凑设计法。

新型高性能宽带天线是未来无线通信系统的关键部件之一。机理明确且统一的通用设计方法，是高性能宽带天线快速分析和高效研制的关键。探索宽带天线的原理性新理论和新方法是天线领域发展的重要课题。本项目基于申请人提出的单腔多模宽带谐振理论，以常用的振子/缝隙天线、微带贴片天线为主要实例，研究在保持天线基本结构的前提下，在单个辐射器中激励出多个辐射模式并抑制无用模式的理论基础与方法，结合辐射模式扰动技术，使其聚合形成宽带辐射特性。本项目旨在揭示多辐射模宽带天线的工作机理，进而提出通用设计方法。在不增加天线结构复杂度、不引入阻抗匹配网络等馈电附件的条件下，实现性能优良的新型宽带天线，从而为未来无线通信中的高性能宽带天线与阵列设计奠定理论基础，提出通用设计流程，避免低效率的试凑设计法。.本项目系统性提出了多模天线理论及设计方法，成功实现了多款具有高性能宽带特性的单腔多模天线。主要成果为（1）基于模式扰动技术，将贴片天线的两个乃至三个模式在频带上聚合并拢，实现天线阻抗频带展宽。（2）基于网络综合方法，将谐振器和天线辐射单元共同设计，提出具有滤波特性的圆极化贴片天线轴比综合方法，实现3dB轴比带宽的展宽。（3）基于感性加载技术，实现了贴片天线的阻抗匹配及交叉极化改善；同时对其主模加以扰动，使得贴片尺寸不受谐振条件限制，实现了单个贴片单元明显的增益提高。（4）基于短路加载，改变圆极化贴片天线两个正交分量的波束形状和宽度，实现了3dB轴比波束宽度的展宽。以上研究已发表78篇期刊论文和8篇会议论文，其中30篇发表于天线国际顶级期刊IEEE TAP。本项目的科学意义包括：（1）揭示了宽带多模天线的物理意义及理论基础，进一步完善了宽带天线的设计理论，提高宽带天线的设计精度、效率并降低其结构复杂度。（2）奠定了改善宽带无线通信系统性能的理论与实践基础。