通过FDTD进行机械天线仿真以表征相互退极化现象

《IEEE Journal on Multiscale and Multiphysics Computational Techniques》：Mechanical Antenna Simulations via FDTD to Characterize Mutual Depolarization

天线小型化面临性能需求与计算框架不足的挑战，本研究提出基于FDTD的多尺度耦合算法，通过弹性动力学与电磁波物理的联合仿真解决压电天线阵列的互解耦效应问题，验证算法准确性并给出阵列间距优化建议。

　　

摘要：

目前，天线小型化面临着日益增长的性能要求，但同时缺乏能够推动稳健设计的计算框架。未来的天线平台必须能够在更低的频率下传输更远的距离，并且体积更加紧凑。虽然基于机械共振的压电天线阵列是一个可行的选择，但其中存在有害的互极化效应，这些效应需要通过结合弹性动力学和电磁波物理特性的多尺度仿真来进行研究。本文提出了一种算法，能够进行此类全波仿真，为希望减轻互极化影响的工程师提供设计指导。相关的动态系统方程被离散化，并采用有限差分时域（FDTD）方法进行求解。该方法具有电动态无条件稳定性，并采用高度分级的网格结构，以直接解决机械波和电磁波在时间和长度尺度上的差异问题。该算法通过与实验数据及解析解的对比得到了验证。此外，该算法的预测结果与实际测量值也非常吻合。仿真表明，压电天线阵列中的元件间距既不能过小（以免引起不必要的互极化），也不能过大（否则会导致阵列的偶极矩不足）。本文还基于作者自身的经验提供了计算指导。

引言

开发更小、更高效的天线对众多行业都有益处。例如，安装在飞机外表面的小型共形天线可以减少空气阻力，同时降低雷达探测信号[1]。此外，微型可植入的生物医学天线可以发挥多种作用，提高患者的生活质量[2]，例如在未来无导线起搏器网络中实现元件间的通信[3][4]。