基于特征模理论的平台集成天线实现方法研究

Designing a platform integrated antenna with satisfactory radiation performance and high integration is challenging, especially when the platform is in a complex electromagnetic (EM) environment. The proposed project is based on the theory of characteristic modes (TCM), one of the hot topics in the EM community. An idea is introduced to utilize the platform as the main radiator and employ the antenna as the impedance transformer. By analyzing the characteristic modes of the platform, some inherent modes will be selected according to their importance and Q factor, and then excited by the feeding antennas. The optimal feeding arrangement is decided through computer-aided algorithm. The project mainly covers three steps: 1) Theoretically constructing a group of characteristic modes for pattern synthesis of the platform; Calculating modal coefficients of each modes; 2) Arranging feedings with optimization algorithms and designing highly integrated feeding antennas; Verifying the antenna system with full wave simulation software and experiments; 3) Designing pattern reconfigurable antennas by suppressing and re-establishing the modes. Scientifically, the proposed project introduces novel solutions and provides a guideline on how to design high performance platform integrated antennas in a systematical way. Practically, it will greatly improve the communication ability of various platforms, including vehicles, shipboards, and aircrafts and so on.

探索高集成度、高性能的集成平台天线方案以应对日益复杂的电磁环境和通信需求，是无线通信领域天线发展的紧迫任务和瓶颈问题。本项目着眼于电磁领域热点之一的特征模理论，利用集成平台的固有模式和电磁特性，以天线为耦合馈源，实现平台集成天线的高集成度、小型化和优良辐射性能的共赢，揭示基于特征模理论的计算机辅助的平台集成天线研究的一般性原理。重点包括：建立平台集成天线目标方向图的理论模式群，确定模式系数，完成理论方向图综合；实现计算机辅助的馈源优化布置，探索高集成度馈源天线设计方法，物理实现理论模式群，并通过三维全波仿真和实验进行验证；探索基于模式抑制和重塑的方向图可重构方法，实现两目标方向图的切换，增强平台天线适应复杂电磁环境的能力。本项目从模式理论的角度，为平台集成天线的研究提供了崭新的思路，该项目的成功实施将显著提高军用、民用等平台集成天线的综合性能。

集成平台天线的性能及其对复杂电磁环境的适应性极大程度决定了民用和军用通信链路的速率和稳定性。本项目主要研究探索高集成度、高性能的集成平台天线方案，利用集成平台的固有模式和电磁特性，以天线为耦合馈源，实现了平台集成天线的高集成度、小型化和优良辐射性能的共赢。本项目的主要创新性贡献包括:1）本项目利用集成平台自身的辐射特性来设计平台集成天线，将平台有效利用，实现了高集成度、高性能的集成平台天线，包括舰船平台天线、可穿戴平台集成天线、射频识别集成天线等，高效地完成了整个系统的辐射目标；2）本项目提出一套科学的、系统的集成平台天线的构造方案，遵循“理论分析—数值计算—仿真验证—样品测试”的科学方法，避免了以试错为主的研究手段以及天线设计针对特定平台的特点，方法具有很好的通用性和可迁移性；3）本项目有效地将计算机辅助的一维结构的特征模优化算法延伸并应用至二维结构和三维结构，利用L1和L2压缩感知算法，提出了泛化、可量化的天线馈电方案，对天线设计具有普遍意义；4）基于模式理论，本项目设计了两种方向可重构的天线系统，实现了方向图在天顶辐射方向和水平全向辐射之间的切换，不同方向图之间的相关性系数小于0.1，并且在此基础上构建了多输入多输出天线，在不同的环境下，包括自由空间、室内环境、室外环境均可达到较好的性能。.在本项目的资助下，课题组共发表学术论文17篇，其中SCI检索论文13篇、EI 检索国际旗舰会议论文4篇；获批１项省部级纵向项目；获得１项企业合作项目；申请4项国内发明专利。培养博士研究生2名，硕士研究生4名，均已顺利毕业。本项目从模式理论的角度，为平台集成天线的研究提供了崭新的思路，为提高提高军用、民用等平台集成天线的综合性能提供储备。