天线的种类繁多，形状各异，然其实质是求解满足特定边界条件的电磁场方程。本书从方程的解——模式出发，介绍小型天线的典型模式分析法。面对天线小型化与多功能化的发展趋势，本书提出多模式协同的概念，使用多个模式提升小型天线的性能，并将协同的效果具体归类为三个方面： 扩展工作带宽、增加正交模式和改善辐射方向图，本书用三个章节分别介绍这三方面的内容。本书针对多模式协同技术的每种应用，均提出了一系列的设计方案，并通过实验验证了技术的可行性和优越性。然后，结合移动终端这一载体，基于多模式协同的设计思想，介绍了多款符合移动通信标准的终端天线，为从事天线研发的科技人员提供参考。

目录

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1小型宽频带天线

1.2.2多通道MIMO天线

1.2.3波束调控天线

1.3主要研究内容

第2章多模式协同分析法

2.1引言

2.2模式的定义

2.2.1基本波函数

2.2.2边界条件

2.3典型的模式分析法

2.3.1球面波分析法

2.3.2谐振腔模型

2.3.3介质波导模型

2.4本征模分析法

2.4.1本征模理论

2.4.2本征模应用实例

2.5多模式协同分析法

2.5.1多模式协同扩展带宽

2.5.2多模式协同增加正交模式

2.5.3多模式协同改善方向图

2.6本章小结

第3章多模式协同扩展带宽

3.1引言

3.2折

第1章绪论

1.1研究背景与意义

电磁波作为一种重要的传播媒质，100多年来得到了广泛的开发与应用。麦克斯韦在1864年推导的麦克斯韦方程组奠定了电磁场理论的基础，赫兹在1886年首次用实验证明了电磁波传递信号的可能性，而马可尼在1899年的跨洋通信第一次将无线电技术从实验室研究推向了大规模商用［1, 2］。自此以后，无线电技术的发展日新月异，并衍生出通信、雷达、广播、电视、导航、遥感等多种应用。这些应用极大地改善了人们的交流与沟通方式，增强了人们认知世界的能力，也改变了整个社会的生产与生活方式。在建设信息化社会的进程中，无线电技术仍将是推动国民经济和社会发展的重要支柱［3］。

在无线电系统中，天线是连接有线电路与无线电波的桥梁，它的表现直接影响着整个系统的性能。根据广泛采用的定义，天线是一种附有导行波与自由空间波互相转换区域的器件［4］。这个定义表明，作为一种转换器件，天线的参数可以分为两个方面。一是电路特性参数，包括输入阻抗、驻波比、频带宽度等； 二是辐射特性参数，包括增益、极化、波束宽度等。不同的需求和应用背景对天线参数的侧重点不同，如移动通信系统侧重信号的空间覆盖，卫星通信系统侧重无线链路的可靠性，而雷达系统则对天线的波束指向和旁瓣非常敏感。这些需求和应用促进了天线形式的多样性发展，也驱动着天线技术的不断改进与创新。综合而言，这些创新主要体现在天线的体积与天线的功能两方面。

(1) 天线体积的小型化。天线的小型化设计自天线诞生以来一直是研究的热点。为了让能量有效辐射，天线的物理尺寸需要与工作波长可比拟，频率越高，对应的波长越短。因此，提高天线的工作频率是实现天线小型化的重要方式。早期的无线电系统工作在短波频段，采用的天线体积较大，严重制约了天线的应用场合。随着半导体技术的飞速发展，无线电系统的工作频率越来越高，对应的天线尺寸也越来越小。随着工作频率从微波频段向毫米波频段，甚至太赫兹频段扩展，天线尺寸继续减小，乃至实现与微波电路的集成(MMIC)。另一方面，在工作频率不变的情况下，天线技术的发展也极大地促进了天线的小型化。图1.1为移动终端(手机)外观和尺寸的发展历程。在短短30多年里，手机体积经历了由大到小、再由小变大的变化过程，而且屏幕占比越来越大。手机的天线也从外置发展为内置，厚度由厚

导师序言

现在，日新月异和无处不在的无线网络正在快速地改变着我们的生活方式，改变着这个世界。人们以各种形式进行着信息的获取、传输和消费。这种获取、传输和消费的信息量以指数的形式增加，这就给通信带来了巨大的压力。对无线通信而言，更大的通信容量需要更多的频谱资源，或者说需要更大的带宽或更多的频段。另一方面，随着集成电路、显示技术、传感技术和高效电源技术的快速发展，移动终端越来越小型化，功能也越来越强大。作为移动终端辐射和接收电磁波的关键器件——天线，就成为一个瓶颈，它既要满足宽带或多频段的要求，又要满足小体积的要求，这二者都受物理因素的限制。

为了满足带宽需要，多天线、多模式、多频段已经成为移动终端的常态，把它们容纳在一个狭小的空间里则是一个空前的挑战。天线已经不再是一个独立的、分离的器件，作者以模式为出发点，把协同的概念引入天线设计，进行多模式协同分析和设计，从而更好地实现天线的整体性能，同时尽可能减少天线占据的空间。论文从扩展带宽、增加模式、扩展天线方向图的自由度等方面讨论了协同设计的方法。

作为模式分析的具体应用，论文研究了一些新型天线单元和阵列的结构，还研究了多极化天线、全向天线、特征模分析和轨道角动量等新方法及其应用，并给出了一些结合移动终端应用的多频段天线设计实例。 

无线网络和移动通信正处在一个快速增长的年代，移动终端已不再只有简单的通信功能，而是把金融、娱乐、交通、消费等融入其中，随着更多功能的开发和物联网、车联网等应用的加入，它的功能将更加强大，但这也给天线设计带来更大的挑战，相信本文作者提出的协同设计理念会得到有效的应用。

本文作者邓长江博士是一位具有创新精神的出色的青年学者，在整个博士生学习期间，他以第一作者发表的被SCI收录的论文14篇，每篇都有理论分析、仿真和实验验证，论文涉及面也很宽。他极其勤奋刻苦，每天都很早来实验室，很晚才走，许多假期也都泡在实验室。由于他的出色表现，他先后获得了清华大学学术新秀、清华大学优秀博士学位论文一等奖、中国电子学会优秀博士学位论文、博士研究生国家奖学金等荣誉。作为指导教师