基于特征模理论的隶书"怀"字形五频段定向贴片天线设计

《Results in Engineering》：Characteristic-mode assisted design of Lishu Huai-shaped patch antenna with penta-band unidirectional radiation

本文针对多频段天线增益低、方向性差的问题，提出一种融合中国书法艺术的隶书"怀"字形贴片天线。通过特征模分析优化结构，采用L形探针耦合馈电和寄生贴片调谐，实现在1.6/1.9/2.3/2.7/3.2 GHz五频段工作，测量平均增益达8 dBi，前后比>15 dB，为文化电子器件设计提供新范式。

　　

在当今快速发展的无线通信领域，多频段天线的需求日益增长。然而，现有的大多数多频段天线设计要么是双向辐射，要么是全向辐射，通常增益较低，适用于移动手持设备，但不适合长距离通信站。虽然高定向性多频段天线适用于长距离通信，但其他五频段设计仍局限于移动手持设备和便携设备。近年来，虽然有关于具有四频段和十频段滤波功能的定向基片集成波导天线的报道，但这些天线的定向性增益有限，约为4 dBi，这主要是由于接地平面上存在多个缝隙。此外，简单的PIN二极管可重构五频段贴片天线由于其单极子设计导致低定向性增益和双向辐射。

为了解决这些问题，并融合文化传承与技术创新，研究人员在《Results in Engineering》上发表了一项新颖的研究，设计了一种基于中国隶书书法风格的"怀"字形贴片天线。该天线不仅向中国书法的丰富文化遗产致敬，而且很好地融入了无线通信的技术进步。

研究人员主要运用了特征模理论（Characteristic Mode Theory, CMT）作为核心设计工具。他们通过计算机仿真技术（CST）Studio Suite中的特征模分析（CMA）工具，系统分析了天线结构的固有辐射模式。设计过程包括初始尺寸确定和结构创建、寄生结构和馈电结构的集成，以及各组件的特征模分析。通过参数化研究，特别是对底部寄生矩形贴片（PRP）尺寸的扫描，确定了最优几何参数。最终，制作了天线原型，并使用Keysight VNA E5071C矢量网络分析仪和远场微波暗室进行了反射系数（|S₁₁|）和辐射方向图的测量验证。

2. 怀字形贴片天线的几何结构

研究人员设计的天线结构创新性地采用了隶书字体"怀"字作为贴片形状。该天线包含一个由0.5毫米厚的RO4003C介质基板（相对介电常数ε_r = 3.38，损耗角正切tanδ = 0.0021）和1毫米厚的铝制接地反射板形成的空气腔。"怀"字形贴片蚀刻在RO4003C的顶层铜箔上，而一个尺寸为a × b的矩形贴片位于底层。介质层和接地反射板通过八个尼龙螺丝固定，腔体高度为H。天线采用L形馈电探针进行激励，其水平臂（F_h）放置在矩形贴片下方并与之对齐。底层矩形贴片的引入增强了两个贴片之间的耦合，放大了谐振模式，扩展了工作频带，并提高了所有频段的定向增益。

3. 特征模辅助设计

3.1. 背景理论

特征模理论通过求解特征方程，提供了理解任意形状导体结构谐振行为和辐射机制的框架。通过分析特征值（λ_n）、模态显著度（MS_n）和特征角（α_n）等关键参数，可以深入了解天线的辐射机理。模态显著度（MS）的计算公式为MS_n = |1/(1 + jλ_n)|，其值接近1表示该模式谐振并对天线的辐射有显著贡献。

3.2. 设计方法

天线的设计流程分为三个阶段。首先，根据半波偶极子理论初步确定贴片的外形尺寸（90 mm × 60 mm），然后将隶书"怀"字转化为仅保留笔画轮廓的铜箔图形。该字形自然分为左侧的"忄"（心）部首和右侧的"不"部首。特征模分析显示，"忄"部首在2.07 GHz有一个主导模式（M1H），而"不"部首在1.7 GHz、2.2 GHz、2.7 GHz和3.0 GHz有四个模式（M1B-M4B）。当两部分合并成完整的"怀"字贴片时，模态显著度曲线几乎线性叠加，在单一结构内产生了五个可用模式。其次，在基板底层引入一个24 mm × 10 mm的寄生矩形贴片（PRP），其作用一是电容性地桥接"忄"和"不"部首，增强部首间的耦合而不改变可见的艺术图形；二是作为非接触式L形探针的次驱动元件。最后，通过特征模分析各组件的辐射特性，发现添加PRP后产生了一个在3.48 GHz的新模式（M6HP），而引入L形探针激励后又产生了另一个在2.96 GHz的模式（M3P）。在最终的"怀"字贴片、PRP和L形探针组合的配置中，在2.75 GHz出现了一个新的模式（M3PP），确认了最终天线支持七个特征模式。

3.3. 确定最优寄生贴片尺寸

通过参数化研究，系统分析了PRP尺寸（宽度a和长度b）变化对七个特征模式谐振频率的影响。结果表明，增大PRP会增强"忄"和"不"部首之间的电容耦合，并延长那些场最大值与PRP重叠的模式（主要是M5和M6）的有效电流路径，从而降低其谐振频率。反之，较小的PRP会减弱耦合和电长度，提高相同模式的频率。这一调谐机制使得可以通过改变埋藏的寄生元件尺寸来精细调整天线性能。

4. 实验验证

根据特征模辅助设计确定的最优几何参数，研究人员制作了天线原型并进行实验测量。测量结果与仿真结果高度吻合。反射系数（|S₁₁|）显示天线有效覆盖了1.6 GHz、1.9 GHz、2.3 GHz、2.7 GHz和3.2 GHz五个频段。实测平均峰值增益为8.0 dBi，与仿真的8.5 dBi接近。在五个频点上的辐射方向图在两个主平面上均表现出良好的单向性，前后比大于15 dB。

5. 比较与讨论

与近期报道的多频段天线相比，本文提出的怀字形贴片天线具有显著优势。其单向辐射模式和高定向性增益（8 dBi）克服了大多数多频段天线双向或全向辐射导致的增益低问题。其最大最小频带比达到2:1，优于其他定向天线。此外，其结构相对简单，制造成本较低。该天线的创新性超越了技术指标，在于有意融合了文化遗产和电磁功能——"怀"字形的结构本身固有地支持五个主导谐振模式，这是其核心设计特征，而非单纯的美学附加。这种中国文化书法遗产与现代天线工程的结合，在现有设计中是独一无二的。

6. 结论

本研究成功设计并实现了一种创新的隶书"怀"字形贴片天线，该天线在1.6、1.9、2.3、2.7和3.2 GHz五个频段实现了高定向性辐射。借助特征模理论，天线在紧凑的0.79 λ_L × 0.79 λ_L × 0.08 λ_L尺寸内实现了平均8 dBi的峰值增益。该设计以其卓越的定向增益、扩展的频带比以及美学吸引力而突出，是美学设计与通信效率和谐融合的典范，为面向文化敏感应用（如智能家居、文化展厅）的高性能通信设备提供了新的设计思路。