邓长江：多模式协同分析法在小型天线设计中的应用

邓长江：2016年清华大学优秀博士学位论文一等奖获得者

多模式协同分析法在小型天线设计中的应用

Applications of Multi-mode Synergy in Small Antenna Design

作    者：邓长江         

指导教师：龚克

培养院系：电子工程系           

学    科：电子科学与技术

读博感言：三思方举步 百折不回头

无线通信的飞速发展驱动着天线技术的不断创新。为了适应高速无线传输速率的要求，需要从多个方面提升天线的性能。宽频带是提升传输速率最直接的方式。比如，2G只有五个频段，而4G增加到了八个频段。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有效方式。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副独立的天线，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。然而，天线性能的提升往往伴随天线尺寸的增加。因此，设计高性能的小型天线对无线通信的发展具有重要意义。

论文以天线的工作模式为切入点，将有源问题先转化为无源问题，即分析满足一定边界条件的麦克斯韦方程，并通过解析和全波仿真的方法进行求解。

在分析了天线所有可能谐振的模式后，论文提出了用多个模式协同工作提升小型天线性能的设计思想，并系统研究了它在天线设计中的三个典型应用：扩展带宽、增加正交信道和改善方向图。针对每个应用，论文均提出了一系列天线实例以验证其可行性。

此外，针对移动终端这一天线尺寸严格受限的特殊场景，论文基于多模式协同探讨了同时增加带宽和MIMO信道数量的方法。

模式分析法的流程

研究内容框图

1. 论文采用多个模式协同工作以提升天线性能，系统分析了三个典型应用：扩展天线的工作带宽、增加天线的正交模式和改善天线的方向图特性。

2. 论文综合运用缝隙、贴片、旋转单极子、介质腔和半波振子等多种谐振结构，实现了基于多模式协同的天线设计，并通过实验验证了设计的可行性和多模式协同分析法的有效性。

3. 论文设计了多款符合移动通信标准的终端天线。利用包括地板模式在内的多模式协同技术扩展带宽，在较小的天线尺寸内实现了4G频段的覆盖；并基于本征模分析，提出了一款宽带MIMO天线设计，首次用三个本征模实现了频域及空域的分集特性。

1. ChangjiangDeng, Zhenghe Feng, and Sean Victor Hum, MIMO mobile handset antenna merging characteristic modes for increased bandwidth, IEEE Trans. Antennas Propag.,2016, published online. (已被录用，本领域顶级期刊)

2. ChangjiangDeng, Yue Li, ZhijunZhang, and Zhenghe Feng, A novel low-profile hepta-band handset antenna using modes controlling method, IEEE Trans. Antennas Propag., 2015, 63(2): 799-804. (本领域顶级期刊)

3. ChangjiangDeng, Yue Li, ZhijunZhang, and Zhenghe Feng, A circularly polarized pattern diversity antenna for hemispherical coverage, IEEE Trans. Antennas Propag., 2014, 62(10):5365-5369. (本领域顶级期刊)

4. ChangjiangDeng, Yue Li, ZhijunZhang, and Zhenghe Feng, A wideband sequential-phase fed circularly polarized patch array, IEEE Trans. Antennas Propag., 2014, 62(7):3890-3893. (本领域顶级期刊)

5. ChangjiangDeng, Yue Li, ZhijunZhang, and Zhenghe Feng, A wideband isotropic radiated planar antenna using sequential rotated L-shaped monopoles, IEEE Trans. Antennas Propag., 2014, 62(3):1461-1464. (本领域顶级期刊)

来源：清华大学研究生院