基于Q值理論的新型電小天線

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展，使得電小天線的研究成為當今世界的熱點課題^[1-3]。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值理論的指導下優化天線結構，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。

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W_av是儲存在天線周圍的駐波電場能量或磁場能量中的大者，P_av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。可以看出，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帶寬、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^[7]的基礎上，通過容性加載，添加短路條，開槽技術^[8]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）