波束合成的分析研究--多端口周期天线 （MPPA）
在紧凑型设备中实现自适应辐射是现代天线工程的重大挑战。采用多天线的相控阵对于高级无线通信系统中的波束成形是必不可少的，它能够调整波束方向，以便在多径环境中实现稳健的通信。然而，将有效的波束成形集成到空间有限的设备中存在技术障碍。阵列元件之间的强互耦合会扭曲有源元件方向图，导致波束成形操作中的估计精度和分辨率降低。最近，多端口天线因其开发可配置辐射方向图的潜力而受到广泛关注。
多端口天线 一维 MPPA：理论和辐射方向图 参考文献
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多端口天线
多端口天线中操纵电磁波介于相控阵和超表面之间。
多端口天线支持将来自天线本身各个端口的功率与来自天线上的多个来源的功率直接组合。多端口天线的研究主要集中在利用它们直接在天线上进行低损耗功率组合，以最大限度地减少栅瓣，以及使用多端口有线天线合成可配置的方向图。
通过分析和模块化抽象，为波束成形、一维波束扫描和宽频率范围内的功率组合提供了方法。该方法能够绕过大规模可配置孔径的迭代电磁建模的实际障碍。
一维 MPPA：理论和辐射方向图
下图描述了非周期天线的色散图，显示了在快速区的主导模式，即|β|>k0 .
漏波天线理论表明，对于群速β，当df/dβ为非零值时，是可以产生辐射的。对于非周期性结构，只有当β为正值时才会发生这种情况，光束限制在正向辐射模式。
另一方面，如下图所示，周期性结构包含无限的周期性模式，并且可以在正向和反向状态下产生辐射。
然而，由于宽边的前两个非简并辐射布洛赫谐波的模式耦合产生的阻带，对宽边辐射的辐射仍然具有挑战性。这种耦合导致宽边频率处的阻带，从而导致所有天线参数（如匹配、增益和效率）急剧下降。
最近，研究表明，这种周期性孔径可以实现这两种 Bloch 模式的“意外简并”。如下图所示，这导致在退化频率处产生非零群延迟，从而产生宽侧辐射。
下图展示了一种1-D MPPA的配置，一个周期性结构，由一系列晶胞和电流源作为输入端口组成，周期性地向结构注入功率。
为了简化分析，我们指定端口的位置，使它们之间的距离是天线周期p的整数倍。这些晶胞共同构成了能量泄漏的周期性辐射机制。此外，1-D MPPA由两侧的匹配负载端接，以耗散任何未使用的功率。为了推广分析，我们将这些晶胞视为双端口网络，并将它们的S矩阵纳入我们的分析中。1-D MPPA的辐射特性取决于晶胞内辐射机制的物理形状。虽然将晶胞的物理形状简化为S参数矩阵可以消除一些辐射细节，但我们表明，我们仍然可以在大范围内对天线方向图进行相当准确的预测。
1-D MPPA的内部场分布的计算
图（a）显示了沿x轴长度为L的单端口天线的几何形状。馈电点与原点的距离为d。假设一个幅值为A0、相位为θ0的电流源在馈电点激励天线，从而产生两个行波：一个在+x方向，另一个在-x方向。因此，单端口天线的内部场分布变为
假设该结构的多端口扩展具有相同的场分布，使用叠加将结果扩展到一般的1-D MPPA，如图（b）所示。在该方案中，第N个端口与原点的距离为dn，天线的总长度为L。N个端口将结构划分为0≤m≤N个子部分。因此，dm<x<dm+1内所有激发的叠加等于
通过考虑整个场分布ET的辐射，可以预测整体辐射模式。为了计算辐射方向图，将辐射孔径视为磁偶极子，沿x轴从孔径发出的远场辐射可以如下推导：
其中x轴孔径的远场幅度可以推导出为
y轴同理，总辐射场为，
[1] S. Rezaeeahvanouee and Y. Tousi, "Analytical Study of 2-D Beam Synthesis in Configurable Multiport Periodic Radiators," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 12, pp. 9229-9238, Dec. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3482554.
来源：微波工程仿真
