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天线理论基础--Q值与小尺寸天线

对天线Q的评价可以追溯到chu的经典工作，他导出了理想天线在最小外接球内的Q的理论值。

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Q与小型化介绍

As shown below👇

Q值与小尺寸天线进展

最初的进展

1、wheeler研究了电小天线的辐射特性

2、chu提出了品质因数Q，推导了适合于给定半径的球体

3、Harrington将chu理论扩展到圆极化天线

4、Collin 和fante 基于天线周围存储的倏逝能量的计算发表了精确理论。

Chu的分析是基于球外场的球模展开。然后将各模态的波阻抗等效为阶梯型网络，通过求解该网络可以得到天线Q。随着模态阶数的增加，这样的过程将是冗长乏味的，必须进行某些近似。此外，基于球模展开的方法由于忽略了球内储存的能量，常产生低于实际值的Q值。可以看出，对于小天线，理论上Q值的最低限值为公式（2）。式中，a为天线最小外球面半径，上标TE、TM、TE+TM分别对应天线只辐射TE、TM，同时辐射TE和TM模式的情况。很容易理解的是，为了使Q最小，天线结构应该尽可能有效地利用最小外接球内的空间。

Collin和Rothschild提出了一种评估天线Q的方法。他们的方法是基于这样的原理，即通过从场强总能量中减去辐射场强，就可以计算出总储存的无功能量，如下图所示

应该注意的是(3)的直接数值计算是非常精细的，因为(3)中的积分必须在一个无限大的域上执行。通过数值计算可以看出，当积分区域V_∞-V₀很大时，舍入误差变得越来越大。因此，直接从(3)进行数值计算是不可接受的。

辐射性能

[1] L. J. Chu, "Physical Limitations of Omni‐DirectionalAntennas," J. Appl. Phys., vol. 19, no. 12, pp. 1163–1175, 1948.（chu理论，朱兰成）

[2] R. Collinand S. Rothschild, “Evaluation of antenna Q,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 12, no. 1, pp. 23–27, Jan. 1964, doi: 10.1109/TAP.1964.1138151.

[3] Mclean JS. A Re-examination of the Fundamental Limits on the Radiation Q of Electrically Small Antennas[J]. Ieee Transactions on Antennas and Propagation, 1996.（重新导出了一种Q值的精确计算方法）

[4] R. E. Collin, “Minimum Q of small Antennas,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 12, no. 10, pp. 1369–1393, Jan. 1998, doi: 10.1163/156939398X01457.

[5] W. Geyi, P. Jarmuszewski, and Y. Qi, “The Foster reactance theorem for antennas and radiation Q,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, no. 3, pp. 401–408, Mar. 2000, doi: 10.1109/8.841901.

[6] W. Geyi, “A method for the evaluation of small antenna Q,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 8, pp. 2124–2129, Aug. 2003, doi: 10.1109/TAP.2003.814755.

[7] W. Geyi, Foundations of Applied Electrodynamics: Geyi/Foundations of Applied Electrodynamics. Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd, 2010. doi: 10.1002/9780470661369.

[8] T. Nan et al., "Acoustically actuated ultra-compact NEMS magnetoelectric antennas," Nature Communications, vol. 8, Aug 22 2017, Art. no. 296.（利用声电转换）

[9] S. Dey and N. C. Karmakar, "Design of novel super wide band antenna close to the fundamental dimension limit theory," Sci Rep, vol. 10, no. 1, p. 16306, Oct 1 2020.(参考超宽带第一条记录)

来源：灵境地平线

微波工程--数字编码超表面

数字编码超表面的提出将局部几何、本构参数和电磁（EM）响应（例如，相位、振幅和极化）离散化，以便它们可以通过数字序列（例如，“0”和“1”）表示。这一概念打破了传统模拟和数字设备之间的界限，在物理世界和信息世界之间架起了桥梁，并为超表面设计开辟了新的前景。数字编码超表面Asshownbelow👇工作原理数字编码和可编程超表面的一般概念最早是在2014年由Cui等人在下面文章提出的。T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.ZhaoandQ.Cheng,"Codingmetamaterialsdigitalmetamaterialsandprogrammablemetamaterials",LightSci.Appl.,vol.3,no.10,pp.e218,Oct.2014.对于最简单的二进制（1-b）场景，提出结构包括两种元件的2D排列，其特征是反射相位为0和180°，分别与二进制数字“0”和“1”相关联。基于亚波长金属片状晶胞的可能超表面实现如图所示。通过优化贴片边长w，可以在特定工作频率下合成两个相位差为180°的响应。图1（b）显示了编码元件“0”（w=4.8mm）和“1”（w=3.75mm）在7至14GHz范围内的相位响应，相位差由红色虚线表示。理论应用方面介绍半分析建模Wan等人提出了一种适用于半解析处理的编码超表面的近似建模。在二进制情况下，编码模式中的位通常与两个不同的反射相位相关联，尽管也可以考虑幅度和极化。信息论方面信息论中一个典型的场景是多个发射器通过多个通道将信息传输到多个接收器。受到香农信息熵概念的启发，该概念量化了每条信息中携带的信息，崔铁军等人提出了一个类似的度量来量化与编码超表面相关的信息。基于卷积的操作为了将散射模式引导到任意预先设计的方向，可以利用卷积类型的操作。在信号处理中，卷积意味着频谱的变化，即定义散射模式偏移的原理如下：因此，通过将编码模式E（xλ）乘以与e^jxλsinθ0相关的梯度编码序列，可以获得量sinθ0（在角坐标系中）的转向。End在未来一个重要的方向是朝着智能超表面发展，现阶段主要包括两个分支：1）AI驱动的设计和2）传感器集成的可编程平台。下一代智能超表面将展示更先进的传感和识别能力，以主动学习真实场景中的电磁特性并做出适当的响应，并将能够直接在电磁波空间中执行复杂的计算任务。来源：灵境地平线