微帶天線由于其重量輕，制作簡單、成本低，易于與載體平臺共形以及適合組陣等諸多優(yōu)點，自20世紀70年代以來越來越受重視并得到廣泛應用。它特別適用于各種移動地面設備，如移動通信、無線電話、GPS接收機、車載雷達等，以及飛行載體（如衛(wèi)星、火箭和飛機等）電子設備。但微帶貼片天線的致命缺點是阻抗帶宛太窄，只有百分之幾，大大限制了它的應用范圍。近些年來，已有多種技術成功地用于改善帶寬，這些方法中包括使用低介電常數(shù)的介質基板、使用水平或垂直方向多層寄生貼片、以及采用匹配結構等。

本文提出微帶貼片天線加載變容管來提高有效帶寬，用量簡單的傳載線模型理論設計微帶貼片天線，研究變容管加載的探針饋電矩形微帶天線電特性，重點考查了變容管加載微帶帶天線后的諧振頻率變化及可調諧范圍，實驗結果與預測符合得較好。

1 天線的分析與設計

微帶天線的分析方法主要可分為三類，即傳輸線模型，腔模理論以及全波分析法。全波分析法是最嚴格的分析方法，采用矩量法（MOM）、有限無法（FEM）及時域有限差分法（FDTD）等數(shù)值方法比較嚴格地求解，結果比較精確，但計算量都比較大。在通常的工程應用中，采用傳輸線模型和腔模理論，只要根據(jù)經(jīng)驗公式和實際結構作適當?shù)男拚?，也能得到滿意的設計結果，誤差可控制在1%以下。

探針饋電的加載變容管矩形微帶貼片天線結構，如圖1所示，微帶貼片印刷在介電常數(shù)εr=2.2的聚四氟乙烯介質基片上，基片厚度h=1.59mm；設計中心頻率f0=3.0GHz（未加載變容管時），設貼片的寬度和長度分別為W和L，饋電點距兩邊緣為L1、L2。其等效傳輸線模型如圖2所示，變容管的等效電路如圖3所示。

微帶結構的等效介電常數(shù)及特性阻抗分別為：

其中Wr=W/h，開路端縫隙邊緣效應引起的等效延伸長度為：

Δl=0.412h[(εre+0.3Wr+0.264)/(εre-0.258Wr+0.8)] (3)

則可得左邊終端導納Ys1=Gs+jBs，其中

且Lc=L+Δl。對于右端（即加載變容管端）。其終端導納還需計入變容管影響，即Ys2=Gs+jBs+g0+jBv。另外，采用同軸探針饋電，中心導體需過介質板，即在貼片與金屬接地板間含有一金屬小圓柱，對輸入阻抗影響為引入一感抗

令YinL和YinR分別為由饋電點向左向右看的輸入導納，由傳輸線公式：

YinL=Ys1+Yc{[Ys1+jYctan(βL1)]/[Yc+jYs1tan(βL1)]} (7)

YinR=Ys2+Yc{[Ys2+jYctan(βL2)]/[Yc+jYstan(βL2)]} (8)

則饋電點總的輸入導納

Yin=YinL+YinR+jXf (9)

根據(jù)諧振時輸入導納的虛部為零即可求出天線的諧振頻率。這樣，控制加在變容管上的電壓就可以控制天線的工作頻率，從而加大天線的工作頻率范圍。

2 實驗結果

首先設計一個微帶貼片天線，微帶貼片印刷在介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯介質基片上。基片厚度h=1.59mm。微帶貼片天線的設計頻率為3.0GHz，則由計算得到貼片的物理尺寸，長L=32.85mm，寬W=39.50mm。為使阻抗為50Ω的SMA同軸探針與貼片的輸入阻抗匹配，饋電探針的位置應放在距貼片中心約L/6處。所采用的容管的基本參數(shù)為：總電容比10，零偏電容6pF，反向擊穿電壓-22V，寄生電容0.13pF，串聯(lián)電感0.4nH，串聯(lián)電阻0.01Ω；與其對應的變容管的等效電路如圖3所示。該變容管具有高電容比，高Q值，恒定的γ值；為獲得較寬的調諧范圍，變容管加載于貼片輻射邊的中心，因為該點的電場最強。

再單獨測量變容管工作特性曲線，即改變變容管的反向偏壓時測電容值；然后加載微帶貼片天線作在線測量，改變變容管的反向偏壓，用標量網(wǎng)絡分析儀來測量反射損耗的頻率響應。圖4給出了微帶貼片天線的諧振與變容管電容的關系曲線的測試結果。不難發(fā)現(xiàn)在一個相當寬的頻率范圍上可以調諧。而且，當變容管反向偏置電壓大于10V時，諧振頻率數(shù)值上變化明顯，這是因為變容值的接頭電容在這個工作區(qū)上趨近于常數(shù)。以2.2GHz為中心，測得的調諧范圍為50%?？紤]變容管等效電路中所有的參數(shù)，圖中同時給出了用簡單的傳輸線理論計算諧振頻率曲線，測試結果與預測吻合得較好。

實驗結果表明，將變容管放在貼片輻射邊的中心時，獲得了相當寬的調諧范圍：以2.20GHz為中心可達50%。值得注意的是，采用這種辦法并不增加天線的瞬時阻抗帶寬；即使如此，這種方案的實現(xiàn)對于頻率捷變裝置或多頻工作的收發(fā)系統(tǒng)，如雷達、移動通訊，仍然有著非常重要的實際意義。