CN109643851B - 改善电小天线效率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善电小天线(1)的效率的方法，所述方法包括以下步骤：‑选择(100)天线；‑对所述选择的天线（1)进行馈电；‑在给定传输频率下对所述选择的天线(1)中的储能进行量化(110)；‑根据所述量化的储能确定所述天线(1)的性质，所述确定包括将所述储能的量与能量阈值进行比较(120)，如果所述量化的储能在能量阈值以下，则所述天线(1)是电性性质(130)的，否则所述天线(1)是磁性性质(135)的；以及‑选择超材料包体(2)，所述超材料包体(2)用于与所述选择的天线(1)相关联以改善所述选择的天线(1)的效率，所述选择是根据所述选择的天线(1)的性质从包体的列表中进行的。

Description

改善电小天线效率的方法
背景技术
本发明涉及电小天线，并且更特别地涉及改善电小天线的效率的方法。
根据H.A.惠勒的关系，天线被称为“电小”是指天线的最大维度小于λ/π，其中λ是天线的工作波长，也即天线的体积小于半径为λ/2π的球体，其也称为“弧度球体”。此定义相当于：如果天线满足条件ka＜1，其中k是波数2π/λ，a是包围该天线的最小球体(也称为“Chu的球体”)的半径，则该天线称为“电小”。
“弧度球体”对应于在天线中存储电磁能的近场与传播电磁能的远场之间的过渡距离。
天线尺寸相对于电波长的减小限制了天线的无线电性能。
电小天线(ESA)的性能由电小天线的电尺寸ka、Q因子(或带宽)和辐射效率η表征，其中辐射效率定义为辐射功率除以天线接受的功率所得比值。
天线中的损耗通过一系列损耗电阻Rloss来建模。Rrad是辐射电阻，RA是总输入电阻，也即Rrad+Rloss，则辐射效率η可以写成如下：
Figure BDA0001971588120000011
对于小天线尺寸，效率变得更小的原因不在于传导损耗或介电损耗，而在于存储在天线周围的能量所导致的低辐射电阻。
依赖于智能无线的新兴电信系统变得越来越广泛，并且预计未来几年将大量部署这种类型的系统。这些系统的正常运转，除其他之外，依赖于频谱探测单元。在给定应用约束下很难设计用于这种频谱探测系统的接收天线。
具体地，这种电小天线必须在相对低(600兆赫兹(MHz)到700MHz的量级)的频率上工作，同时保持合理的维度和性能。不幸的是，天线小型化必然涉及性能方面的妥协，特别是在带宽和效率方面。
存在各种各样的电小天线，所述电小天线展现出的特点使所述电小天线的效率能够得以改善。特别地，文档US 2009/0140946公开了一种配备有包体的电小天线，所述包体是在近场中谐振LC型的，即电型和磁型两者的，因为包体结合了感应和电容。这种包体被称为“超材料激发”，并且所述包体被应用于小型的电和磁三维天线。
尽管如此，该文档限于诸如偶极子和环之类的个体天线，并且这些个体天线的最终带宽非常小。
发明内容
本发明通过提出一种方法来寻求解决此特定问题，该方法用于通过超材料包体的列表来改善任意电小天线的效率。
本发明首先提供了一种改善电小天线的效率的方法，该方法包括下列步骤：
-选择天线；
-对所述选择的天线进行馈电；
-在给定传输频率下对所述选择的天线中的储能进行量化；
-根据所述量化的储能确定所述天线的性质，所述确定包括将所述储能的量与能量阈值进行比较，如果所述量化的储能在能量阈值以下，则所述天线是电性性质的，否则所述天线是磁性性质的；以及
-选择超材料包体，所述超材料包体用于与所述选择的天线相关联以改善所述选择的天线的效率，所述选择是根据所述选择的天线的性质从包体的列表中进行的。
本发明由此使得可以选择特定的超材料包体并将所述超材料包体与给定天线相关联，以改善天线的辐射效率并因此改善天线的整体效率。
更具体地，将储能的量与零能量阈值进行比较。所述比较因此对应于确定储能的量值的符号。
可以使用各种方法来计算天线中的储能，诸如例如在2006年出版的IEEE期刊上由Collardey等人发表的文章“Calculation of small antennas quality factor usingFDTD method”中描述的方法。
与已知的改进天线不同，本发明的方法使得可以考虑在电信设备内使用复杂天线。作为示例，将天线集成到电话结构内需要所使用的天线具有特别不规则的几何形状。
本发明的方法所提议的分析和综合可以应用于包括电小天线和非规范的任意超材料包体(即，特别是大小和性质可以任意的包体)的对。该方法总是依据天线和超材料激发包体的对来给出结论，其中超材料激发包体用于与天线关联以便改善辐射效率。
本方法使得可以相比于已有天线而改善天线性能，尤其在如下方面：
-辐射效率；
-带宽(通带)；
-物理维度；以及
-整个频带上方向图的稳定性。
在改善电小天线效率的方法的第一方面，量化所选择的天线中的储能包括将天线分解成多个表面电流模式以及仅估计主模式中的储能。
该方法具体在于基于特征模式理论进行分析，以针对存在的每一种电流模式，评估不具有包体的天线中的储能。为了量化天线中的储能的量级，识别主模式，被外部馈电所激励的天线的主模式对应于与最大的模式权重相关联的模式，继而计算主模式的特征值与所关联的权重的平方的乘积。
该方法首先包括定义适合于分析电小天线和多个包体的度量。其次，提议了一些准则以确保这两种结构的关联引起电小天线在辐射效率方面的性能改善
在改善电小天线效率的方法的一个变体中，量化所选择的天线中的储能包括将天线分解成多个频率激励模式以及根据各种模式中的储能之和来估计储能。通常对于电小天线而言，辐射归因于主模式。然而，对于更复杂的多模天线，有必要考虑每个模式的储能之和。
在改善电小天线效率的方法的第二方面，包体的列表是根据超材料包体预先形成的，其中依据包体的性质将超材料包体分类成包括电性包体的第一类别或者包括磁性包体的第二类别。
在改善电小天线效率的方法的第三方面，还根据包体的几何形状将包体列在第一类别和第二类别的每一个中，并且选择包体的步骤还包括定义天线的几何形状，所述选择是根据所选择的天线的几何形状进行的。
将包体的几何形状分类到每个类别中用于尽可能减小从中选择用于改善所选天线的包体的包体数量。
在改善电小天线效率的方法的第四方面，包体的性质通过计算包体的特征值而预先确定，如果包体的特征值是正的，则所述包体表现磁性性质，如果包体的特征值是负的，则所述包体表现电性性质。
包体的特征值可以根据天线的传输频率来计算。
在改善电小天线效率的方法的第五方面，从包体的列表选择超材料包体包括定义天线的几何形状，并且所述选择还是根据天线的几何形状进行。
本发明还提出了一种计算机系统，具有配置用于实现上述方法的装置。
而且，本发明还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品可被直接加载到计算机系统的存储器中，所述产品具有软件代码部分，所述软件代码部分用于在所述计算机系统上执行所述程序时执行上述方法。
本发明还提出了一种可由计算机系统读取的介质，所述介质具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令适合于使计算机系统执行上述方法。
附图说明
通过阅读下面通过非限制性指示以及参考附图给出的描述，可以更好地理解本发明，附图中：
-图1是在本发明的实施方式中改善电小天线效率的方法的流程图：
-图2示出了不具有包体的平面天线的示例；
-图3A和图3B分别是配置以与图2的天线协作的超材料包体的正视图和透视图；
-图4示出了通过增加超材料包体得以改进的平面天线的示例；
-图5A到图5F示出了超材料包体的几何形状的其他示例。
具体实施方式
图1是示出在本发明的实现方式中改善电小天线效率的方法的流程图。
在该方法的第一步骤100中，选择待改善的电小天线。作为示例，电小天线可以是平面天线，如图2中示出的天线。
在图2中，平面天线1包括用于在电激励下传输波的椭圆形状的辐射部分2，以及用于向辐射部分2传送电激励电流的馈送系统3，该电流特别地经由馈送通道4进行传送，馈送通道4耦接到辐射部分2的一端呈馈送三叉部5，所述馈送三叉部5在三个不同的点处耦接到辐射部分2。
辐射部分2的椭圆形状用于为量化能量时的阻抗匹配提供额外的自由度。馈送三叉部5用于在三个等距点处激励天线1的辐射部分2，从而增加被激励的模式数量并减小第一模式的截止频率。
在第二步骤110，对所选天线1进行馈送以及量化天线1中的储能。
为了量化储能，例如使用矩量法，在馈送系统3及其连接的馈送单元(未示出)所施加的电场存在的情况下，为天线1的辐射部分2确定阻抗矩阵Z。进一步的，基于特征模式理论，确定模式电流，也即，针对天线结构每种谐振模式的电流。模式电流对应于结构(也即天线1)被供电时的特征值。在感兴趣的频率范围上或者在天线1的工作频率(例如900MHz到1100MHz)上执行此计算。
此后，识别主模式并继而针对一个或多个主模式，特别地基于主模式的特征值与所关联的权重的平方的乘积来计算总无功功率。总无功功率可以使用下式定义：
Figure BDA0001971588120000061
其中Pr代表总无功功率，n是模式索引，αn是模式n的加权系数，λn是模式n的特征值，以及N是所考虑的主模式的数量。
在2015年出版的IEEE期刊上由M.H.Rabah等人发表的文章“New metrics forartificial magnetism from metal-dielectric metamaterial based on the theoryof characteristic modes”以及2006年出版的IEEE期刊上由S.Collardey等人发表的文章“Calculation of small antennas quality factor using FDTD method”中给出了用于量化电小天线中的储能的方法示例。这两篇文章的内容通过引用全文包含在本专利申请中。
在第三步骤120，研究之前计算的储能的符号。
如果储能是负的，则在接下来的步骤130中，天线1的性质被称为“电性”。相反，如果储能是正的，则在步骤135中，天线1的性质被称为“磁性”。
接着步骤135，如果天线1是磁性性质的，则在步骤145中，从超材料包体的列表中选择包体被限制于包含电性包体的第一类别包体。
接着步骤130，如果天线1是电性性质的，则在步骤140中，从超材料包体的列表中选择包体被限制于组合磁性包体的第二类别包体。
此后，在步骤140之后的步骤150中，或者在步骤145之后的步骤155中，识别天线1的几何形状，尤其是其辐射部分2的几何形状，定义可用包体的几何组，并减少所考虑类别的超材料包体的数量，以定义最适合于天线1的电性或磁性包体，从而优化对天线1的效率的改善。
作为示例，用于平面天线1的包体可以对应于图3A和图3B中示出的包体6。超材料包体6是椭圆形状，具有第一半径R1和第二半径R2，如图3A所示。
此外，为了能够形成闭合的椭圆，包体6具有在第一平面延伸的第一半椭圆61和在第二平面延伸的与第一半椭圆61互补的第二半椭圆62，第二平面不同于第一半椭圆61延伸所在的第一平面并平行于第一平面，如图3B所示。第一半椭圆61和第二半椭圆62通过连接63来耦接，连接63形成在第一半椭圆的第一端与第二半椭圆62的第一端62a之间，其中第一半椭圆的第一端面向第二半椭圆62的第一端62a布置。第一半椭圆61的第二端61b和第二半椭圆62的第二端62b通过缝隙64分隔开，其中第一半椭圆61的第二端61b和第二半椭圆62的第二端62b相互面对设置，并且分别与第一半椭圆61的第一端61a和第二半椭圆62的第一端62a相对。
当在板上制作该超材料包体时，连接63是通孔的形式，用于将形成在该板的第一面上的第一半椭圆61电连接到形成在与该板的第一面相对的平面的第二面上的第二半椭圆62。
图4示出了通过增加图3A和图3B的超材料包体而得以改善的图2的平面天线1。
图5A到图5F示出了可以用于其他几何形状的电小天线的超材料包体的几何形状的其他示例。
本发明由此提出了一种通过使用一系列超材料包体来改善任何电小天线的效率的方法，这些超材料包体至少根据它们的性质事先在列表中被分类。

Claims (8)

1.一种改善电小天线的效率的方法，所述方法包括以下步骤：
-选择天线；
-对所述选择的天线进行馈电；
-在给定传输频率下对所述选择的天线中的储能进行量化；
-根据所述量化的储能确定所述天线的性质，所述确定包括将所述储能的量与能量阈值进行比较，如果所述量化的储能在能量阈值以下，则所述天线是电性性质的，否则所述天线是磁性性质的；以及
-选择超材料包体，所述超材料包体用于与所述选择的天线相关联以改善所述选择的天线的效率，所述超材料包体的选择是根据所述选择的天线的性质从包体的列表中进行的，
所述包体的列表是根据超材料包体预先形成的，其中依据包体的性质，超材料包体被分类成包括电性包体的第一类别或者包括磁性包体的第二类别。
2.根据权利要求1所述的方法，其中量化所述选择的天线中的储能包括将天线分解成多个表面电流模式以及仅估计主模式中的储能。
3.根据权利要求1所述的方法，其中量化所述选择的天线中的储能包括将天线分解成多个频率激励模式以及根据各种模式中的储能之和来估计所述储能。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述包体的性质是通过计算包体的特征值而预先确定的，如果所述包体的特征值是正的，则所述包体表现磁性性质，如果所述包体的特征值是负的，则所述包体表现电性性质。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述包体还根据包体的几何形状被列在第一类别和第二类别中，并且选择包体的步骤还包括定义所述天线的几何形状，所述选择还根据所述选择的天线的几何形状进行。
6.根据权利要求5所述的方法，其中从包体的列表中选择超材料包体包括定义天线的几何形状，所述选择还根据天线的几何形状进行。
7.一种计算机系统，包括配置用于执行一种改善电小天线的效率的方法的装置，所述方法包括以下步骤：
选择天线；
对所述选择的天线进行馈电；
在给定传输频率下对所述选择的天线中的储能进行量化；
根据所述量化的储能确定所述天线的性质，所述确定包括将所述储能的量与能量阈值进行比较，如果所述量化的储能在能量阈值以下，则所述天线是电性性质的，否则所述天线是磁性性质的；以及
选择超材料包体，所述超材料包体用于与所述选择的天线相关联以改善所述选择的天线的效率，所述超材料包体的选择是根据所述选择的天线的性质从包体的列表中进行的，
所述包体的列表是根据超材料包体预先形成的，其中依据包体的性质，超材料包体被分类成包括电性包体的第一类别或者包括磁性包体的第二类别。
8.一种能够由计算机系统读取的介质，具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令适合于使所述计算机系统执行改善电小天线的效率的方法，所述方法包括以下步骤：
选择天线；
对所述选择的天线进行馈电；
在给定传输频率下对所述选择的天线中的储能进行量化；
根据所述量化的储能确定所述天线的性质，所述确定包括将所述储能的量与能量阈值进行比较，如果所述量化的储能在能量阈值以下，则所述天线是电性性质的，否则所述天线是磁性性质的；以及
选择超材料包体，所述超材料包体用于与所述选择的天线相关联以改善所述选择的天线的效率，超材料包体的选择是根据所述选择的天线的性质从包体的列表中进行的，
所述包体的列表是根据超材料包体预先形成的，其中依据包体的性质，超材料包体被分类成包括电性包体的第一类别或者包括磁性包体的第二类别。
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