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。
2Q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[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)
h1 |
h2 |
h3 |
D |
18.5 |
17.5 |
16.0 |
7.28 |
w1 |
w2 |
w3 |
w4 |
19.3 |
18.5 |
10.54 |
1.0 |
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