贴片天线的介质基板介电常数对于效率的影响

最近仿真贴片天线才发现了一个关于效率的问题：即贴片天线的效率与采用的介质基板的厚度密切相关，随着介电常数的增加，天线的效率有明显的下降。仿真了两个贴片天线作为对比：
（两个天线都是半波长典型贴片天线，天线尺寸相同，采用背馈，匹配都在-20dB以下）
天线一：工作在0.9GHz，介质厚度5mm， 介电常数4.9  工作效率45%左右
天线二：工作在1.3GHz，介质厚度5mm，介电常数2  工作效率94%左右
介质厚度对天线效率也有一定影响，但是影响比较小。
根据对天线的了解，天线的效率由以下三部分组成：1）金属损耗 2）介质损耗 3）匹配状况
这两个天线仿真时用的都是loss free 的介质，也就是说不存在介质损耗，而金属损耗应该没有差别，匹配状况也都很好。那为什么效率会有如此大的差别呢?
谢谢高手回答

友情帮顶，可惜关于小编的问题偶也无能为力

One more loss is due to surface wave excited. Usually, the thicker the dielectric substrate, the larger the loss. The higher the dielectric constant of the substrate, the larger the loss. The thickness of 5mm is fairly thick for the frequency of 1.3 GHz.

通俗的说，基片的厚度大、介电常数大，自然激起的表面波多，效率也会打折扣。
另一方面，材料损耗造成的欧姆耗散也是一个因素，特别是FR4这样的板子，频率越高，损耗越大，具体可以用它来做不同波段上的滤波器，看看过渡带就知道了。
当然，物极必反，如果介电常数足够高、做成DR并且给予合理的激励，效率也是很高的，不过这时的工作原理就是磁壁波导的原理了。

good point！

也可以这么理解：空腔谐振的时候，腔内介电常数增加，电流激励的时候空腔储能增加，能量守恒，因此辐射能量减少，效率降低。

disagree with you. increase in stored energy increases Q but not loss. So the increase doesn't affect efficiency but bandwidth. 

空腔模型本来就是个等效模型，谐振的同时辐射。形象理解，介电常数表征电介质对电场能量的约束能力。介电常数越大，约束电场能力越强，越多能量被约束，有效辐射出去的能量越少。
这么理解很形象，但也许不那么严格，楼上的仁兄太教条死板了吧?
另外，楼上的是中国人吗?怎么这么喜欢在中文论坛用英语发贴子?别扭……

It is a problem of concept. Efficiency is dependent on the loss. I found this problem in my classes of antenna engineering and several short courses.
It is difficult for me to use but read Chinese. Sorry for that.

感谢LS几位回复！
我是LZ的同事，对于这个问题我们之前也讨论了一下。补充一下，LZ给出的“工作效率”是CST中的总效率(即计入了匹配情况)，而两种情况下总效率都和天线本身的辐射效率差不多，因为我们已经将阻抗匹配调得比较好（S11<-20dB）。
lui1978网友讲到的“材料损耗造成的欧姆耗散”不知是由哪个参数描述的?因为我们在仿真中已经选择了无损的材料。另外关于表面波，可能不是我们现在这种情况的主要原因，我们有将贴片以外的基板去掉，即基板完全被贴片覆盖，这种情况下效率的改善不明显。
比较同意sirius0815网友的定性解释。
lui1978网友实际经验丰富，不知有没有效率测试的结果，即不同介电常数的基板对效率的影响大概能到什么程度?

did you consider patch and ground plane as PEC with infinite conductivity?

回LS,都是PEC

我也不知道是什么问题，但是感觉应该是介质的厚度引起的，我觉得小编可以在仿真做个实验，就是都用一样的频率，介质厚度一样，介电常数还是一个4.9，一个是2 看一下效率的变化情况

agreed with Shiren. You may try two examples with all identical parameters and electrical properties. once only one parameter is changed and the rest unchanged. then you can find the reason. keep us informed of it. thanks.

你说的损耗说得不全，查看一下钟顺时老师的《微带天线理论与应用》你中关于Q值的章节。
表面波损耗、介质损耗、导体损耗、辐射损耗均贡献有Q值。推导效率的时候——注意，分析贴片天线的效率的时候已经假设匹配良好，所以S11不贡献效率！——基于几个假设，给出了效率与Q值的关系。
你忽略了表面波损耗，个人认为同样的介质基板制作出来的贴片天线，对于较低的频率，表面波损耗可比拟介质损耗甚至更大，即便你把贴片做的跟地一样大，并不能杜绝表面波的存在，看看地板上的电流分布，看能否发现点什么端倪。
另外，把介质损耗设置为0，这样计算出来的结果不是自欺欺人嘛！