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微带天线由于其重量轻，制作简单、成本低，易于与载体平台共形以及适合组阵等诸多优点，自20世纪70年代以来越来越受重视并得到广泛应用。它特别适用于各种移动地面设备，如移动通信、无线电话、GPS接收机、车载雷达等，以及飞行载体(如卫星、火箭和飞机等)电子设备。但微带贴片天线的致命缺点是阻抗带宽太窄，只有百分之几，大大限制了它的应用范围。近些年来，已有多种技术成功地用于改善带宽，这些方法中包括使用低介电常数的介质基板、使用水平或垂直方向多层寄生贴片、以及采用匹配结构等。
本文提出微带贴片天线加载变容管来提高有效带宽，用最简单的传输线模型理论设计微带贴片天线，研究变容管加载的探针馈电矩形微带天线电特性，重点考查了变容管加载微带天线后的谐振频率变化及可调谐范围，实验结果与预测符合得较好。 1、天线的分析与设计 微带天线的分析方法主要可分为三类，即传输线模型，腔模理论以及全波分析法。全波分析法是最严格的分析方法，采用矩量法(MOM)、有限元法(FEM)及时域有限差分法(FDTD)等数值方法比较严格地求解，结果比较精确，但计算量都比较大。在通常的工程应用中，采用传输线模型和腔模理论，只要根据经验公式和实际结构作适当的修正，也能得到满意的设计结果，误差可控制在1%以下。 探针馈电的加载变容管矩形微带贴片天线结构，如图1所示，微带贴片印刷在介电常数εr=2.2的聚四氟乙烯介质基片上，基片厚度h=1.59mm；设计中心频率f0=3.0GHz(未加载变容管时)，设贴片的宽度和长度分别为W和L，馈电点距两边缘为L1、L2。其等效传输线模型如图2所示，变容管的等效电路如图3所示。 微带结构的等效介电常数及特性阻抗分别为： 其中Wr=W/h，开路端缝隙边缘效应引起的等效延伸长度为： 则可得左边终端导纳Ys1=Gs+jBs，其中 且LC=L+Δl。对于右端(即加载变容管端)，其终端导纳还需计入变容管影响，即Ys2=Gs+jBs+g0+jBV。另外，采用同轴探针馈电，中心导体需穿过介质板，即在贴片与金属接地板间含有一金属小圆柱，对输入阻抗的影响为引入一感抗 令YinL和YinR分别为由馈电点向左向右看的输入导纳，由传输线公式： 根据谐振时输入导纳的虚部为零即可求出天线的谐振频率。这样，控制加在变容管上的电压就可以控制天线的工作频率，从而加大天线的工作频率范围。 |
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2、实验结果
首先设计一个微带贴片天线，微带贴片印刷在介电常数为2.2的聚四氟乙烯介质基片上。基片厚度h=1.59mm。微带贴片天线的设计频率为3.0GHz，则由计算得到贴片的物理尺寸，长L=32.85mm，宽W=39.50mm。为使阻抗为50Ω的SMA同轴探针与贴片的输入阻抗匹配，馈电探针的位置应放在距贴片中心约L/6处。所采用的变容管的基本参数为：总电容比10，零偏电容6pF，反向击穿电压-22V，寄生电容0.13pF，串联电感0.4nH，串联电阻0.01Ω；与其对应的变容管的等效电路如图3所示。该变容管具有高电容比，高Q值，恒定的γ值；为获得较宽的调谐范围，变容管加载于贴片辐射边的中心，因为该点的电场最强。 再单独测量变容管工作特性曲线，即改变变容管的反向偏压时测电容值；然后加载微带贴片天线作在线测量，改变变容管的反向偏压，用标量网络分析仪来测量反射损耗的频率响应。图4给出了微带贴片天线的谐振与变容管电容的关系曲线的测试结果。不难发现在一个相当宽的频率范围上可以调谐。而且，当变容管反向偏置电压大于10V时，谐振频率数值上变化不明显，这是因为变容管的接头电容在这个工作区上趋近于常数。以2.2GHz为中心，测得的调谐范围为50%。考虑变容管等效电路中所有的参数，图中同时给出了用简单的传输线理论计算谐振频率曲线，测试结果与预测吻合得较好。 实验结果表明，将变容管放在贴片辐射边的中心时，获得了相当宽的调谐范围：以2.20GHz为中心可达50%。值得注意的是，采用这种办法并不增加天线的瞬时阻抗带宽；即使如此，这种方案的实现对于频率捷变装置或多频工作的收发系统，如雷达、移动通讯，仍然有着非常重要的实际意义。 作者：李晋文、柴舜连、毛钧 |
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