基于Q值理論的新型電小天線(xiàn)

1 引言

由于無(wú)線(xiàn)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(xiàn)的研究成為當今世界的熱點(diǎn)課題^[1-3]?？v觀(guān)國內外研究現狀，天線(xiàn)小型化的研究主要涵蓋了以下幾個(gè)方面:1.電小天線(xiàn)Q值問(wèn)題；2.小天線(xiàn)加載技術(shù)；3.優(yōu)化小天線(xiàn)外形結構；4.小天線(xiàn)的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò )。本文著(zhù)重在Q值理論的指導下優(yōu)化天線(xiàn)結構，控制阻抗帶寬，提出了一種具有穩定方向圖和高增益的電小單極子天線(xiàn)。

2 Q值理論及天線(xiàn)小型化技術(shù)

根據Chu^[4]的定義，天線(xiàn)Q值定義式：

（1）

其中W_av是儲存在天線(xiàn)周?chē)鸟v波電場(chǎng)能量或磁場(chǎng)能量中的大者，P_av是天線(xiàn)的時(shí)平均損耗功率。同時(shí)Chu給出了Q值的計算公式：

（2）

其中k為波數，a為包圍整個(gè)天線(xiàn)的最小球半徑。后有學(xué)者推出了電小線(xiàn)極化天線(xiàn)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(xiàn)帶寬與效率的乘積，即天線(xiàn)帶寬與效率的乘積是直接與天線(xiàn)所占據的體積相聯(lián)系的。在Wheeler和Chu的基礎上，Harrington^[6]提出：

（4）

可估算電小天線(xiàn)增益上界?？梢钥闯?，天線(xiàn)的電尺寸越小，品質(zhì)因數越高，頻帶越窄，性能隨著(zhù)尺寸的減小惡化。因此設計電小天線(xiàn)就是在找帶寬、增益、效率的平衡點(diǎn)。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(xiàn)來(lái)說(shuō)可以從介電常數，天線(xiàn)形狀來(lái)實(shí)現。雖然高介電常數可以降低天線(xiàn)尺寸，但同時(shí)增大了能量損耗，降低輻射效率。本文著(zhù)重于優(yōu)化天線(xiàn)結構實(shí)現小型化。

3 天線(xiàn)模型及性能分析

3.1 天線(xiàn)模型及尺寸

本文在單極錐型微帶天線(xiàn)^[7]的基礎上，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(xiàn)的諧振頻率，進(jìn)而實(shí)現了小型化,達到電小天線(xiàn)尺寸標準。天線(xiàn)模型如圖1所示：

圖1 天線(xiàn)模型

表1 天線(xiàn)各部分尺寸 單位（mm）