基于Q值理論的新型電小天線分析

1 引言
　　由于無線電通信設施和電子設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今世界的熱點課題。縱觀國內外研究現狀，天線小型化的研究主要涵蓋了以下幾個方面：1.電小天線Q值問題；2.小天線加載技術；3.優(yōu)化小天線外形結構；4.小天線的寬帶匹配網絡。本文著重在Q值理論的指導下優(yōu)化天線結構，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
　　根據Chu［4］的定義，天線Q值定義式：
　　?（1）
　　其中Wav是儲存在天線周圍的駐波電場能量或磁場能量中的大者，Pav是天線的時平均損耗功率。同時Chu給出了Q值的計算公式：
　　?（2）
　　其中k為波數，a為包圍整個天線的最小球半徑。后有學者推出了電小線極化天線最小Q值更為嚴格的表達式，即：
　　?（3）
　　Wheeler［5］推導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的體積相聯系的。在Wheeler和Chu的基礎上，Harrington［6］提出：
　　?（4）
　　可估算電小天線增益上界?？梢钥闯?，天線的電尺寸越小，品質因數越高，頻帶越窄，性能隨著尺寸的減小惡化。因此設計電小天線就是在找?guī)?、增益、效率的平衡點。根據Q值理論，應盡可能在小型化基礎上降低Q值。對微帶天線來說可以從介電常數，天線形狀來實現。雖然高介電常數可以降低天線尺寸，但同時增大了能量損耗，降低輻射效率。本文著重于優(yōu)化天線結構實現小型化。
　　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的基礎上，通過容性加載，添加短路條，開槽技術來降低天線的諧振頻率，進而實現了小型化，達到電小天線尺寸標準。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）
　　h1h2h3D
　　18.517.516.07.28
　　w1w2w3w4
　　19.318.510.541.0
　　模型下部為50歐姆同軸接頭ansoft11仿真模型。采用的是介電常數2.2，厚度1.5mm的Rogers 5880介質板。地板為邊長100mm的正方形銅板。短路條與天線間距d=0.15mm。