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(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今世界的熱點課題?？v觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，天線小型化的研究主要涵蓋了以下幾個方面：1.電小天線Q值問題；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(shù)，a為包圍整個天線的最小球半徑。后有學(xué)者推出了電小線極化天線最小Q值更為嚴格的表達式，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?？梢钥闯觯炀€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)計電小天線就是在找?guī)?、增益、效率的平衡點。根據(jù)Q值理論，應(yīng)盡可能在小型化基礎(chǔ)上降低Q值。對微帶天線來說可以從介電常數(shù)，天線形狀來實現(xiàn)。雖然高介電常數(shù)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(jié)構(gòu)實現(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的基礎(chǔ)上，通過容性加載，添加短路條，開槽技術(shù)來降低天線的諧振頻率，進而實現(xiàn)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(shù)2.2，厚度1.5mm的Rogers 5880介質(zhì)板。地板為邊長100mm的正方形銅板。短路條與天線間距d=0.15mm。