天线小型化技术_UG_理论_材料_储能

天线小型化技术

天线小型化技术是对传统天线结构进行改进，以达到体积更小、重量更轻、性能更优的目的。然而随着理论极限的限制，以及阵列、MIMO等技术的广泛应用，天线小型化越来越困难。

利用拓扑结构蜿蜒或者曲流技术（表面开槽技术）：通过在天线辐射贴片或接地板上开槽，可以改变天线的电流路径，延长电流路径，相当于增加了天线的有效长度。这样可以在不改变天线几何尺寸的情况下，降低天线的谐振频率，实现小型化。

但表面开槽会增加天线的交叉极化，降低辐射效率。

短路加载：包括短路面加载、短路片加载和短路探针加载等方法。通过在微带天线上加载短路探针等结构，可以在谐振空腔中引入耦合电容，实现小型化。短路加载的数量、每个短路加载的面积以及天线的高度决定了短路加载的效果。

利用有源网络：利用有源网络的放大作用以及阻抗匹配技术可以弥补天线效率下降等问题。

这种方法会牺牲天线的互易性，但能够提高工作频带宽与增益，便于实现阻抗匹配与调整天线方向图，并可以实现天线小型化。

电磁带隙结构（EBG）：通过在微带辐射贴片的下方及周围、天线的基片内钻出或刻蚀出一系列间隔非常近的小孔，可以改变有效介电常数，抑制天线的表面波，从而实现天线小型化。

Chu极限

Physical limitations of omnidirectional antennas-L.J.Chu

20世纪40年代，天线的设计者们发现小尺寸天线有非常大的传导损耗且带宽很窄学者们通过优化源分布总能计算得到一个比相同尺寸下实际天线增益更高的天线布鲁克林理工学院给出一套可以在任意小区域内实现任意大增益的源分布计算方法总之，在理论层面，给定尺寸下的天线能够实现的增益似乎是没有极限的

1941年，Stratton证明了super-gain天线的不可实现。他完成了从任意给定辐射场推算出有限区域下对应源分布的工作，在数学上，随着系统的方向性增益无限增大，代表源分布的系数是不断发散的;在物理上，天线上较强的电流分布意味着系统内部较大的储能.较大的能量损耗和较低的发射效率。

chu理论：

利用球面波函数描述辐射场

给出了具有特定结构复杂度天线的最大增益理论

给出了具有特定结构复杂度天线的最小Q值理论

给出了具有特定结构复杂度天线的最大G/Q理论

参考文献

[1] S. M. A. Shah, M. Zada, J. Nasir, O. Owais, A. Iqbal, and H. Yoo, “Miniaturized Four-Port MIMO Implantable Antenna for High-Data-Rate Wireless-Capsule-Endoscopy Applications,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 71, no. 4, pp. 3123–3133, Apr. 2023, doi: 10.1109/TAP.2023.3243984.

[2] L. J. Chu, “Physical Limitations of Omni‐Directional Antennas,” JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 19, p. 14, 1948.

[3] M. Fallahpour and R. Zoughi, “Antenna Miniaturization Techniques: A Review of Topology- and Material-Based Methods,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 60, no. 1, pp. 38–50, Feb. 2018, doi: 10.1109/MAP.2017.2774138.

来源：微波工程仿真

多波束技术与波束成形网络

毫米波通信具有传播损耗大、大气吸收高和物理阻塞严重的固有缺点。此外，波束覆盖范围有限的传统单波束天线不适用于多用户移动流媒体。因此，高增益多波束天线在无线通信系统中具有广阔的应用前景。目录多波束技术波束成形网络（BFN）参考文献多波束As shown below👇多波束技术多波束技术是一种先进的雷达技术，它利用透镜式、反射面式和相控阵式等天线形式产生不同的多个元波束，这些元波束可以合成一个或多个成形波束，以覆盖特定的空域，从而实现对目标坐标的精确测定。多波束天线特点：波束灵活性：多波束天线可以产生多个波束，并且每个波束的指向和形状都可以独立调整，因此具有更高的灵活性。覆盖范围广：由于可以产生多个波束，多波束天线能够覆盖更广泛的空域，适用于需要大范围覆盖的场景。增益高：通过优化波束形状和指向，多波束天线可以在特定方向上实现较高的增益，提高信号传输效率。抗干扰能力强：多波束天线可以通过调整波束指向和形状来减少干扰信号的影响，提高系统的抗干扰能力。多波束天线主要有以下几种类型：多波束透镜天线：利用透镜把馈源所辐射的能量汇聚起来形成一个锐波束。当透镜焦点附近设置多个馈源时，便相应形成指向不同的多个元波束。控制各馈源的激励振幅和相位，能使这些元波束合成为具有特定形状的成形波束。多波束反射面天线：在反射面焦点附近有多个馈源来形成多波束。为避免馈源系统对反射面口径的遮挡，通常采用偏置单（双）反射面形式。这类天线与多波束透镜天线工作情形相似，但较为轻便简单，是较常用的多波束天线形式。多波束相控阵天线：由许多辐射元排阵构成，用波束形成网络向阵列单元激励所需的振幅和相位，以形成不同形状的成形波束。其优点是可对波束数目和形状进行灵活控制，并可控制波束作快速扫描；但结构较复杂，造价高。波束成形网络（BFN）多波束天线主要由波束成形网络（BFN）决定。作为BFN的一种无源电路类型，巴特勒矩阵因其对称的结构和灵活的设计而更具吸引力。在过去的几年里，利用衬底集成波导（SIW）技术的基于 Butler 矩阵的多波束天线得到了广泛的研究。此外，与一维扫描相比，二维多波束天线可以产生二维多波束，具有更好的通用性和更高的扫描分辨率。然而，由于 BFN 结构复杂且集成难度大，二维平面多波束天线最大可达到的阵列尺度为4×4 在已出版的作品中。特别是对于双极化 2-D 多波束天线，需要两组独立的 2-D BFN 来馈送双极化天线阵列。数组大小将受到更多限制。波束成形网络的工作原理功率分配与合成：波束成形网络首先需要对输入信号进行功率分配，将信号分配到阵列中的每个单元。然后，在接收端，网络会对来自每个单元的信号进行合成，形成最终的输出信号。幅度/相位加权：为了实现波束成形，网络需要对每个单元的信号进行幅度和相位的加权。通过调整加权系数，可以控制波束的形状、指向和增益。延迟相加：在某些情况下，为了实现更精确的波束成形，波束成形网络还会对每个单元的信号进行延迟处理。通过调整延迟时间，可以进一步控制波束的形状和指向。参考文献 [1] Z. Xu, S. Xu, Y. Shen, S. Xue and S. Hu, "Gain Enhancement of Dual-Polarized 2-D Multibeam Antenna With Transmitarray," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 10, pp. 7574-7583, Oct. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3442293. 来源：微波工程仿真