基于Q值理論的新型電小天線

1 引言

由于無(wú)線電通信設(shè)施和電子設(shè)備快速地朝小型化方向發(fā)展，使得電小天線的研究成為當(dāng)今世界的熱點(diǎn)課題^[1-3]?？v觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，天線小型化的研究主要涵蓋了以下幾個(gè)方面:1.電小天線Q值問(wèn)題；2.小天線加載技術(shù)；3.優(yōu)化小天線外形結(jié)構(gòu)；4.小天線的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。本文著重在Q值理論的指導(dǎo)下優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，控制阻抗帶寬，提出了一種具有穩(wěn)定方向圖和高增益的電小單極子天線。

2 Q值理論及天線小型化技術(shù)

根據(jù)Chu^[4]的定義，天線Q值定義式：

（1）

其中W_av是儲(chǔ)存在天線周圍的駐波電場(chǎng)能量或磁場(chǎng)能量中的大者，P_av是天線的時(shí)平均損耗功率。同時(shí)Chu給出了Q值的計(jì)算公式：

（2）

其中k為波數(shù)，a為包圍整個(gè)天線的最小球半徑。后有學(xué)者推出了電小線極化天線最小Q值更為嚴(yán)格的表達(dá)式，即：

（3）

Wheeler^[5]推導(dǎo)出了輻射功率因子等于天線帶寬與效率的乘積，即天線帶寬與效率的乘積是直接與天線所占據(jù)的體積相聯(lián)系的。在Wheeler和Chu的基礎(chǔ)上，Harrington^[6]提出：

（4）

可估算電小天線增益上界。可以看出，天線的電尺寸越小，品質(zhì)因數(shù)越高，頻帶越窄，性能隨著尺寸的減小惡化。因此設(shè)計(jì)電小天線就是在找?guī)?、增益、效率的平衡點(diǎn)。根據(jù)Q值理論，應(yīng)盡可能在小型化基礎(chǔ)上降低Q值。對(duì)微帶天線來(lái)說(shuō)可以從介電常數(shù)，天線形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然高介電常數(shù)可以降低天線尺寸，但同時(shí)增大了能量損耗，降低輻射效率。本文著重于優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小型化。

3 天線模型及性能分析

3.1 天線模型及尺寸

本文在單極錐型微帶天線^[7]的基礎(chǔ)上，通過(guò)容性加載，添加短路條，開(kāi)槽技術(shù)^[8]來(lái)降低天線的諧振頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了小型化,達(dá)到電小天線尺寸標(biāo)準(zhǔn)。天線模型如圖1所示：

圖1 天線模型

表1 天線各部分尺寸 單位（mm）