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基于Q值理论的新型电小天线分析
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2017-11-18
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1 引言
由于无线电通信设施和电子设备快速地朝小型化方向发展，使得电小天线的研究成为当今世界的热点课题。纵观国内外研究现状，天线小型化的研究主要涵盖了以下几个方面：1.电小天线Q值问题；2.小天线加载技术；3.优化小天线外形结构；4.小天线的宽带匹配网络。本文着重在Q值理论的指导下优化天线结构，控制阻抗带宽，提出了一种具有稳定方向图和高增益的电小单极子天线。
2 Q值理论及天线小型化技术
根据Chu［4］的定义，天线Q值定义式：
（1）
其中Wav是储存在天线周围的驻波电场能量或磁场能量中的大者，Pav是天线的时平均损耗功率。同时Chu给出了Q值的计算公式：
（2）
其中k为波数，a为包围整个天线的最小球半径。后有学者推出了电小线极化天线最小Q值更为严格的表达式，即：
（3）
Wheeler［5］推导出了辐射功率因子等于天线带宽与效率的乘积，即天线带宽与效率的乘积是直接与天线所占据的体积相联系的。在Wheeler和Chu的基础上，Harrington［6］提出：
（4）
可估算电小天线增益上界。可以看出，天线的电尺寸越小，品质因数越高，频带越窄，性能随着尺寸的减小恶化。因此设计电小天线就是在找带宽、增益、效率的平衡点。根据Q值理论，应尽可能在小型化基础上降低Q值。对微带天线来说可以从介电常数，天线形状来实现。虽然高介电常数可以降低天线尺寸，但同时增大了能量损耗，降低辐射效率。本文着重于优化天线结构实现小型化。
3 天线模型及性能分析
3.1 天线模型及尺寸
本文在单极锥型微带天线的基础上，通过容性加载，添加短路条，开槽技术来降低天线的谐振频率，进而实现了小型化，达到电小天线尺寸标准。天线模型如图1所示：
图1 天线模型
表1 天线各部分尺寸 单位（mm）
h1h2h3D
18.517.516.07.28
w1w2w3w4
19.318.510.541.0
模型下部为50欧姆同轴接头ansoft11仿真模型。采用的是介电常数2.2，厚度1.5mm的Rogers 5880介质板。地板为边长100mm的正方形铜板。短路条与天线间距d=0.15mm。
由于无线电通信设施和电子设备快速地朝小型化方向发展，使得电小天线的研究成为当今世界的热点课题。纵观国内外研究现状，天线小型化的研究主要涵盖了以下几个方面：1.电小天线Q值问题；2.小天线加载技术；3.优化小天线外形结构；4.小天线的宽带匹配网络。本文着重在Q值理论的指导下优化天线结构，控制阻抗带宽，提出了一种具有稳定方向图和高增益的电小单极子天线。
2 Q值理论及天线小型化技术
根据Chu［4］的定义，天线Q值定义式：
（1）其中Wav是储存在天线周围的驻波电场能量或磁场能量中的大者，Pav是天线的时平均损耗功率。同时Chu给出了Q值的计算公式：
（2）其中k为波数，a为包围整个天线的最小球半径。后有学者推出了电小线极化天线最小Q值更为严格的表达式，即：
（3）Wheeler［5］推导出了辐射功率因子等于天线带宽与效率的乘积，即天线带宽与效率的乘积是直接与天线所占据的体积相联系的。在Wheeler和Chu的基础上，Harrington［6］提出：
（4）可估算电小天线增益上界。可以看出，天线的电尺寸越小，品质因数越高，频带越窄，性能随着尺寸的减小恶化。因此设计电小天线就是在找带宽、增益、效率的平衡点。根据Q值理论，应尽可能在小型化基础上降低Q值。对微带天线来说可以从介电常数，天线形状来实现。虽然高介电常数可以降低天线尺寸，但同时增大了能量损耗，降低辐射效率。本文着重于优化天线结构实现小型化。
3 天线模型及性能分析
3.1 天线模型及尺寸
本文在单极锥型微带天线的基础上，通过容性加载，添加短路条，开槽技术来降低天线的谐振频率，进而实现了小型化，达到电小天线尺寸标准。天线模型如图1所示：
图1 天线模型
表1 天线各部分尺寸 单位（mm）
h1h2h3D
18.517.516.07.28
w1w2w3w4
19.318.510.541.0
模型下部为50欧姆同轴接头ansoft11仿真模型。采用的是介电常数2.2，厚度1.5mm的Rogers 5880介质板。地板为边长100mm的正方形铜板。短路条与天线间距d=0.15mm。
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