Modal analysis methods for small antenna design

Safin, Eugen

The Theory of Characteristic Modes (TCM) has proved itself well in antenna design even in the recent years. A large number of applications has been presented by other authors, in which the TCM has been utilized. In this dissertation, the common theory is extended with new numerical techniques suitable for the design of small antennas. Eigenvalue tracking as a fundamental numerical problem, which arises from the early mode analysis, is discussed. The degenerated mode effect is presented and an explanation is given as to where it comes from and how it affects the tracking concept. A new algorithm is presented to generate differential eigenvalue curves and to compensate for the degenerated mode effect. The modal source reconstruction is an additional technique, which is used to predict the mode contribution from a simplified structure. This technique allows utilization of the TCM with other not Method of Moments based solver under the assumption that the simplified structures carries almost the same chassis modes as the real structure. Furthermore, the lumped impedance matching networks are treated in the mode analysis. The influence of such lumped networks on the characteristic modes is investigated and the modal efficiency is defined. The definition of the modal admittances and impedances are given and evaluated for inductive and capacitive coupling elements. Equivalent circuit models are presented and evaluated for these types of coupling elements for generic examples. The problem of a useful interpretation of the dielectric modes and their eigenvalue are discussed and evaluated for dielectric resonator antennas (DRAs). Finally, the combined mode excitation concept is presented and evaluated for small terminals. This concept is used as a basis to integrate antennas into a hand held device. The experiences are used to develop the proposed concept further and to integrate the antennas into the rearview mirror of a vehicle.

Die Antennenentwicklung auf Basis der Theorie der Charakteristischen Moden (TCM) hat sich vor allem in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. In dem Hauptfokus dieser Dissertation ist die theoretische und numerische Erweiterung der Theorie, welche für die Entwicklung von kleinen Antennen besonders geeignet sind. Das Problem der Eigenwertverfolgung ist ein seit langem bekanntes Problem, welches bis heute nicht ausreichend gelöst ist. Das Problem der entarteten Moden wird präsentiert und es wird ausführlich erklärt, woher das Problem kommt und wie dieser die Verfolgung der Moden beeinflusst. Aufbauend auf diese Untersuchung wird ein neues Verfahren präsentiert, welches das Problem der entarteten Moden kompensiert und die Verfolgung der Eigenwerte entscheiden verbessert. Die Vorhersage der modalen Stromverteilung auf Basis des modalen Fernfeldes ist eine neue Methode, um nicht Momenten basierte Solver in die TCM einzubeziehen. Dieses Konzept basiert auf der Annahme, dass eine vereinfachte Struktur die gleichen Moden unterstützt, wie das komplexere Model, mit allen darin enthaltenen Details. Weiterhin werden konzentrierte Netzwerke in die Modenberechnung einbezogen, um so den Einfluss der reaktiven Komponenten zu beurteilen. Äquivalente Ersatzschaltungen werden entwickelt und für einige in der Antennentechnik übliche Beispiele validiert. Das Problem der sinnvollen Interpretation der dielektrischen Moden wird aufgegriffen und diskutiert. Abschließend wird ein neues Konzept der kombinierten Anregung der Moden präsentiert und speziell für die Antennenintegration in kleine mobile Plattformen diskutiert. Dieses Konzept wird für ein kleines mobiles Endgerät aufgebaut und messtechnisch verifiziert. Aufbauend auf dieser Entwicklung wird das hier präsentierte Konzept weiterentwickelt und es werden mehrere Antennen in einem Innenspiegel eines Autos integriert.

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Safin, Eugen: Modal analysis methods for small antenna design. 2016.

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