一種基于Q值理論的新型電小天線

 引言

由于無(wú)線電通信設(shè)施和電子設(shè)備快速地朝小型化方向發(fā)展，使得電小天線的研究成為當(dāng)今世界的熱點(diǎn)課題?？v觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，天線小型化的研究主要涵蓋了以下幾個(gè)方面:1.電小天線Q值問(wèn)題;2.小天線加載技術(shù);3.優(yōu)化小天線外形結(jié)構(gòu);4.小天線的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。本文著重在Q值理論的指導(dǎo)下優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，控制阻抗帶寬，提出了一種具有穩(wěn)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(shù)

根據(jù)Chu[4]的定義，天線Q值定義式：

(1)

其中Wav是儲(chǔ)存在天線周?chē)鸟v波電場(chǎng)能量或磁場(chǎng)能量中的大者，Pav是天線的時(shí)平均損耗功率。同時(shí)Chu給出了Q值的計(jì)算公式：

(2)

其中k為波數(shù)，a為包圍整個(gè)天線的最小球半徑。后有學(xué)者推出了電小線極化天線最小Q值更為嚴(yán)格的表達(dá)式，即：

(3)

Wheeler[5]推導(dǎo)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(jù)的體積相聯(lián)系的。在Wheeler和Chu的基礎(chǔ)上，Harrington[6]提出：

(4)

可估算電小天線增益上界?？梢钥闯?，天線的電尺寸越小，品質(zhì)因數(shù)越高，頻帶越窄，性能隨著尺寸的減小惡化。因此設(shè)計(jì)電小天線就是在找?guī)?、增益、效率的平衡點(diǎn)。根據(jù)Q值理論，應(yīng)盡可能在小型化基礎(chǔ)上降低Q值。對(duì)微帶天線來(lái)說(shuō)可以從介電常數(shù)，天線形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然高介電常數(shù)可以降低天線尺寸，但同時(shí)增大了能量損耗，降低輻射效率。本文著重于優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上，通過(guò)容性加載，添加短路條，開(kāi)槽技術(shù)來(lái)降低天線的諧振頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了小型化,達(dá)到電小天線尺寸標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)2.2，厚度1.5mm的Rogers 5880介質(zhì)板。地板為邊長(zhǎng)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(duì)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(shù)不變的情況下天線駐波的變化。當(dāng)w4=1mm時(shí)，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(shù)不變的情況下天線駐波的變化?？梢?jiàn)，當(dāng)D=7.28mm時(shí)駐波在低頻端最小。當(dāng)D=6.00mm時(shí)，雖然阻抗帶寬明顯展寬，但根據(jù)Q值理論該天線增益會(huì)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(shù)不變的情況下天線駐波的變化?？梢?jiàn)駐波在d=0.05mm與d=0.15mm時(shí)基本一致，但考慮到加工精度方面，選取間距為d=0.15mm。

通過(guò)觀察，可以得出以下結(jié)論：

(1)矩形槽的寬度對(duì)天線性能影響不大，開(kāi)槽越寬，低端駐波越小。

(2)圓形開(kāi)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(duì)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(yōu)尺寸下天線性能

天線實(shí)體如圖5(a)所示：

圖5(a) 實(shí)物照片

圖5(b) 仿真與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)為2.50GHz到3.42GHz。諧振點(diǎn)稍向低頻移動(dòng)，但測(cè)試與仿真結(jié)果基本一致。

圖6為最優(yōu)尺寸下該電小天線各個(gè)頻點(diǎn)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、3.5GHz YZe面XY面方向圖

可以看出，各個(gè)頻點(diǎn)的方向圖基本一致，且為全向上半空間輻射。說(shuō)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(yù)估最大增益為4.103dB，可見(jiàn)本文提出的電小單極子微帶天線基本達(dá)到了該尺寸下增益的理論最大值。

4 結(jié)論

本文在Q值理論的指導(dǎo)下通過(guò)開(kāi)槽和短路技術(shù)優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，將天線高度減小到0.15

。在滿足電小尺寸要求下，通過(guò)調(diào)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(jìn)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(wěn)定的方向圖和高增益，具有很大實(shí)用價(jià)值。