基于Q值理论的新型电小天线

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^[1-3]。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W_av是储存在天线周围的驻波电场能量或磁场能量中的大者，P_av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^[7]的基础上，通过容性加载，添加短路条，开槽技术^[8]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）