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利用特征模分析方法实现设计变革

Changing Design with Characteristic Mode Analysis

Peter Futter，Altair Engineering, Inc.，美国密歇根州Troy

自动优化算法，例如遗传算法（GA），为最终设计提供了很多便利。然而，其中一个缺点是这些方法通常不会深入理解设计的相互作用和依赖关系。当设计目标无法完全实现时，我们就需要一种权衡分析和性能方面的折衷，这也许是至关重要的。特征模分析（Characteristic Mode Analysis, 简写为CMA）方法在这种情况下是一个非常有用的设计工具。此外，CMA有助于求解更广泛的设计问题，例如：哪一种天线对于特定的应用是最合适的天线？

CMA使用了一种对称设计的方法，该方法基于对结构的基本谐振行为的深入认识，这使得CMA非常适用于解决具有挑战性的天线设计和天线布局的问题。模式电流（model current）和模式权重系数（modal significance）有助于天线类型的选择以及为目标体上的布局位置等提供帮助。CMA也非常适用于MIMO应用，在MIMO应用中各模式之间固有的正交特性可以被用来提高天线单元之间的隔离度。本文将简要回顾一下CMA参数和典型的工作流程，然后演示一个智能天线设计案例。

CMA概述

特征模式被定义为存在于传导面上的一组相互正交的电流模式。特征值方程是通过矩量法（MoM）的阻抗矩阵进行推导得到的[1]。CMA技术的一个主要优势在于：在决定激励源的放置位置之前，就可以进行性能分析。接下来的内容简要介绍一下如何计算CMA参数。

模式谐振

特征值（λ），模式权重系数（MS）和特征角（CA）是用于度量一个模式是如何谐振的。当λ=0，MS=1，CA=180°时，一个模式就会被谐振。这三个量本质上是以不同方式表达同一个事物；使用哪一个取决于个人偏好。如果在一个结构中一个模式被谐振，这意味着在该频率下这个模式更有可能被激励起来。相反地，与有更小特征值的模式相对比，具有更大特征值的模式将更难被激励起来。请注意：为了计算这些参数，在CMA仿真中没有必要去包含激励，这些参数仅仅取决于分析中的几何模型和频率，并且与激励是相互独立的。

模式电流和场

每个模式的模式电流和场都被计算，这些参数被用来计算每个模式的近场和辐射方向图。每个模式的电流分布、近场和辐射方向图都是极其有用的。从设计的角度来看，在CMA的研究中，通过几何结构修改可将一个特定模式引入谐振，因为它具有我们想要的模式电流、场和方向图属性。进一步讲，当多模式谐振时，这些参数的合成可以被用来预测总的电流、场和方向图。

原文始发于微信公众号（actMWJC）