微带天线及其阵列具有低剖面、加工简单、重量轻、易集成和低成本等优点,广泛应用于无线通信系统中,也适用于封装系统的片上集成。射频系统的差分输入输出设计需求,促进微带天线从单端馈电到差分馈电的转变。差分微带天线可进一步提高系统的小型化和集成度,同时可以抑制共模噪声而改善系统性能。第五代移动通信微波和毫米波应用需求迫使微带天线向多频段发展。此外随着第五代移动通信多功能技术的发展,可重构天线吸引了国内外极大的关注。传统的可重构天线利用开关/变容二极管等器件会产生寄生效应和频率限制。近年来,基于液晶材料的频率、极化和辐射方向图可重构天线能克服这些局限,已迅速成为一个重要的研究方向。根据上述的实际应用需求,该博士学位论文针对差分微带天线的腔模理论,双频段差分微带栅格阵列天线以及基于液晶材料的频率、极化和方向图可重构天线等方面展开了详细的研究。论文的主要研究内容和创新点总结如下:（1）将腔模理论扩展到四端口,然后用于分析高阶模式TM12的双极化差分圆环微带贴片天线。阻抗和辐射特性的计算值,仿真值和实验值相吻合。理论分析结果显示差分端口互阻抗为零,隔离度理论上可以无限大。在高阶工作模式TM12谐振频率点处,差分输入阻抗是单端口阻抗的四倍。差分激励由于抑制了工作模式TM12的邻近模式TM02和TM22,可得到了更加对称的E面方向图和更小的交叉极化特性。（2）提出了一种双频段差分馈点偏移的微带栅格阵列天线。通过移动馈电点位置,传统的微带栅格阵列天线可以实现双频段工作。馈电点偏移的栅格天线高频模式类似于传统栅格天线的工作模式。低频段工作模式类似于贴片或者网格贴片天线。提出的天线采用新差分馈电结构和两个寄生贴片来提高阻抗带宽。这款天线覆盖3.7 GHz和28.5 GHz双频段,对应的-10 d B阻抗带宽分别为3.4%和4.5%,最大实测增益分别达到8.98 d Bi和19.2 d Bi。这款天线是大频率比双带无线通信的潜在方案。（3）提出了一种基于微带栅格和贴片的双频段共口径差分馈电阵列天线。贴片天线阵列作为高频单元引入到低频工作的微带栅格阵列天线中。这款差分馈电的贴片阵列和栅格阵列能实现更加对称的方向图和更低的交叉极化电平。栅格阵列天线通过耦合贴片单元实现了阻抗带宽从3%提高到17%。这款天线工作频率同时覆盖5G的两个毫米波通信频段28 GHz和38 GHz。测量结果显示加载馈电网络的阵列天线在双频段28 GHz和38 GHz分别实现了-10 d B阻抗带宽17%和15%,最大实增益为14.7 d Bi和14.65 d Bi。（4）提出了一种差分探针馈电的液晶基频率可重构圆环贴片天线。将扩展的腔模理论用于该天线分析设计中。基于扩展的腔模理论和测量的反射系数,提取了液晶的介电常数和损耗角正切值。阻抗,反射系数和辐射方向图的计算值,仿真和实验结果吻合很好,验证了参数提取模型。更重要地,扩展的腔模理论可对液晶基天线提供深层次的物理解释。（5）提出了一种液晶基极化可重构十字型缝隙馈电微带贴片天线。该款液晶基天线工作频率为27.6 GHz,天线包含四个相互正交的贴片,并采用十字型缝隙馈电。通过改变贴片下的液晶材料介电常数,获得不同的谐振频率。基于简并模分离理论,简并模因谐振频率不同导致模式分裂,产生了相位相差90°的两个正交模式,形成圆极化辐射。当谐振频率相同时,实现线极化辐射。仿真结果显示液晶基天线能实现左旋/右旋圆极化和线极化切换功能。（6）提出了一种基于液晶基方向图可切换的三单元微带寄生阵列天线。此外,还提出了地平面上三单元寄生阵列天线的简化模型用于分析方向图切换的机理。通过对三个微带元件加载不同的电压可以控制其谐振电长度。这款液晶基天线可以获得三个工作模式以及对应的辐射方向图。测量结果显示液晶基天线可以实现H面中三个波束方向（θ=59°,-2°,-57°）的切换功能。