一種基于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。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。

2Q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。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）

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Rogers5880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。

3.2天線部分尺寸對其性能的影響

3.2.1矩形槽的尺寸

圖2顯示了改變矩形槽的寬度（w4=0.2mm,0.5mm,1mm,2mm），而其他參數不變的情況下天線駐波的變化。當w4=1mm時，駐波小于2的低頻端頻率值最小,為2.56GHz。

圖2駐波隨矩形槽寬度變化曲線

3.2.2圓形槽的尺寸

圖3顯示了改變圓形槽的直徑（D=6mm，7.28mm，8mm）而其他參數不變的情況下天線駐波的變化。可見，當D=7.28mm時駐波在低頻端最小。當D=6.00mm時，雖然阻抗帶寬明顯展寬，但根據Q值理論該天線增益會降低，故本文選取D=7.28mm。

圖3駐波隨圓形槽直徑變化曲線

圖4駐波隨短路條與天線間距變化曲線

3.2.3短路條與天線間距

圖4顯示了改變短路條與天線間距(d=0.05mm,0.15mm,0.3mm)而其他參數不變的情況下天線駐波的變化。可見駐波在d=0.05mm與d=0.15mm時基本一致，但考慮到加工精度方面，選取間距為d=0.15mm。

通過觀察，可以得出以下結論：

（1）矩形槽的寬度對天線性能影響不大，開槽越寬，低端駐波越小。

（2）圓形開槽的直徑可以明顯的降低天線低端駐波。

（3）短路條與天線間距對天線低端駐波影響顯著，但考慮到加工精度方面，本文選取了中間值。

3.3最優尺寸下天線性能

天線實體如圖5(a)所示：

圖5(a)實物照片

圖5(b)仿真與實測駐波曲線

如圖5(b)所示，駐波小于2的阻抗頻帶仿真為2.56GHz到3.38GHz，實測為2.50GHz到3.42GHz。諧振點稍向低頻移動，但測試與仿真結果基本一致。

圖6為最優尺寸下該電小天線各個頻點的方向圖：

（a）YZ面主極化方向圖

（b）XY面主極化方向圖

圖6天線在2.5、3.0、3.5GHzYZe面XY面方向圖

可以看出，各個頻點的方向圖基本一致，且為全向上半空間輻射。說明本文提出的電小天線具有很寬的方向圖帶寬，且最大增益隨頻率升高分別為3.74dB、4.05dB、3.56dB。按照Harrington提出的電小天線增益公式該天線中心頻率預估最大增益為4.103dB，可見本文提出的電小單極子微帶天線基本達到了該尺寸下增益的理論最大值。

4結論

本文在Q值理論的指導下通過開槽和短路技術優化天線結構，將天線高度減小到0.15。在滿足電小尺寸要求下，通過調整圓形槽的中心位置和尺寸將駐波小于2的阻抗帶寬控制在約30%進而獲得較高增益值4.05dB。相比以往電小天線，本文提出的電小單極子微帶天線具有穩定的方向圖和高增益，具有很大實用價值。