贴片天线与本征模理论

高增益天线因能增强数据传输、降低功耗并减轻干扰而广受欢迎，推动了物联网、无线电力传输等应用的发展，并提升了电信安全及隐私。对无线设备日益增长的需求要求天线在不影响性能的情况下尽可能的小型化。然而，增益和带宽是受天线小型化影响最大的参数。目录 高增益的方法 天线增益 参考文献 GainAs shown below👇高增益的研究以及方法1、增益最大化的研究[1]天线尺寸、效率和带宽的关系在多项研究中已被探讨，对电小天线（ESA）研究仍有指导意义。Harrington基于球面波扩展理论提出了方向性极限，但受天线尺寸限制。Yaghjian等提出了修正限制。Kildal和Best等提出了其他启发式公式，最近的研究进一步规范化这些极限。Uzkov发现特定条件下，阵列的方向性可随元件间距减小而增加，这种超出常规限制的现象称为“超定向”。增强天线增益的几种常用方法：增加天线尺寸：增加天线长度：天线的长度是其发射和接收信号的决定因素之一，因此增加天线长度可以提升其增益。增加天线直径：对于某些类型的天线，如抛物面天线，其直径越大，增益也越大。改变天线形状：通过改变天线的形状，可以改变其某些特性，如方向图和波束宽度，从而增加天线增益。例如，使用抛物面结构的天线可以大幅度聚焦辐射电磁波，实现很高的增益。使用方向性天线：方向性天线可以使其辐射方向更加集中，从而提高天线增益。加强天线反射板或折弯器：天线反射板或折弯器的加强可以集中或聚焦电磁能量，从而增加天线的辐射功率和增益。优化天线布局和位置：通过优化天线的布局和位置，可以最大化天线的辐射效果，增加其增益。使用天线阵列：对单个天线，按照一定间距进行组阵，能够实现天线增益的提升。阵列天线提高增益的方法涉及多个方面，包括优化天线单元布局、相位补偿与调整、增加天线单元数量、使用高性能天线单元、采用先进的馈电网络以及利用仿真软件进行优化设计等。这些方法可以单独或组合使用，以实现阵列天线增益的最大化。采用分集接收天线技术：分集接收天线技术可以缓解信号衰落情况，得到更多的分集增益，提升信号接收的灵活性。这包括方向分集、空间分集、极化分集等形式。利用超材料和透镜加载：通过零折射、负介电常数等超材料的加载，以及透镜加载，可以使天线更有效地辐射电磁波，实现波束聚焦和增益提升。天线增益（Gain）天线增益（Gain）描述了在峰值辐射方向上向各向同性源传输的功率。在出厂天线的参数规格表中，天线增益一般比方向性（D）更常见到，因为增益考虑了实际发生的损耗。Gain = eD增益为 3 dB 的天线在其最大辐射方向上的发射功率是无损各项同性天线或理想点源在该方向上辐射功率的大约 2 倍。无损（lossless）天线是天线效率为 0 dB（或 100%）的天线。 同理，在特定方向上增益为3dB的接收天线将比无损各向同性天线多接收3dB的功率。天线增益常用作角度的函数表示。在这种情况下，通常绘制辐射方向图， 其中单位（或模式的大小）以天线增益为单位。一个数值被用作增益一般是指所有方向的“峰值增益”。天线增益（Gain）与方向性（D）和天线效率有关：Gain = eD对于尺寸非常大的碟形天线，天线的real增益可以高达40-50dB。对于常见天线（例如：短偶极天线），方向性可以低至1.76 dB，但理论上永远不能低于0 dB。然而，由于损耗或低效率，天线的峰值增益可以任意的低的数值。电小天线（相对于天线工作频率的波长较小）效率非常低，天线增益一般低于-10 dB（即便不考虑阻抗失配的损耗）。参考文献 [1] A. Tornese, A. Clemente and C. Delaveaud, "Maximizing Gain of Endfire Arrays Based on Electrical Dipoles Using Spherical Harmonics," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 10, pp. 7525-7535, Oct. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3444309.[2] X. Teng, Y. Hou, S. Wang and K. Ma, "Low-Profile High-Gain Circularly Polarized Endfire Leaky Wave Antenna," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 10, pp. 8046-8051, Oct. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3452005. 来源：微波工程仿真