CN101510630A - 一种ltcc叠层微带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

一种LTCC叠层微带贴片天线，属于天线技术领域，涉及低温共烧陶瓷(LTCC)技术，特别涉及一种用于无线电接收的低剖面微带贴片天线。包括三层LTCC基片：第一层基片上开有同轴馈电孔，其上表面是第一辐射金属贴片，下表面是反射底板；第二层基片上均匀开有气孔；第三层基片的上表面是第二层辐射金属贴片。还包括同轴馈电针，同轴馈电针从底部插入同轴馈电孔，与第一层基片第一层辐射贴片接触，且与反射底板之间绝缘。所述第一、二和三层LTCC基片按照从下往上第一、二和三的顺序通过LTCC叠层和等静压工艺后先形成一个整体，再经低温共烧后形成一个整体。本发明可以有效拓展微带天线的带宽；增强两层辐射贴片之间的耦合；提高天线的稳定性和可靠性。

Description

一种LTCC叠层微带贴片天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及低温共烧陶瓷(LTCC)技术，特别涉及一种用于无线电接收的低剖面微带贴片天线。
背景技术
微带贴片天线具有体积小、重量轻、剖面薄、易共形等诸多优点，在无线通信、远程遥感、航空航天等领域的应用十分广泛。但微带贴片天线工作带宽较窄的问题也成为其进一步发展的瓶颈。当前的微带贴片天线普遍都采用有机介质材料或陶瓷材料作基板，为了拓展微带贴片天线的带宽，常用途径包括增大基板厚度、降低基板介电常数、采取多层结构、附加阻抗匹配等。但这些方式都是以牺牲天线的厚度和体积为代价的。不利于微带贴片天线与载体的共形设计以及小型化的发展趋势。微带贴片天线兼顾低剖面和宽带化发展的矛盾始终未能得到很好的解决。
近年来LTCC技术的出现和发展为开发创新结构设计的微带贴片天线提供了强大的动力。LTCC技术作为一种先进的多层陶瓷技术，不仅可将传统微带贴片天线的结构从原先的一维扩充到三维，而且LTCC技术多层化过程中采用了流延和通孔技术，除了方便于加工生产以外，还可提供比常规基板材料更好的层厚控制，得到嵌入元素值上更紧的公差，因而有望在兼顾微带贴片天线低剖面和宽频带方面取得突破。
目前，由于LTCC天线的研究和设计起步较晚，相对于LTCC片式电感、电容、滤波器等无源片式器件而言，基于LTCC基础的天线设计和制作还处于初级阶段，只有关于曲折线型结构微带天线的报道和申请专利，而针对LTCC叠层低剖面、宽频带微带贴片天线的报道还没有。
发明内容
本发明的目的在于克服现有微带贴片天线在兼顾低剖面和宽频带方面的不足，提供一种LTCC叠层微带贴片天线，该天线能够在兼顾微带贴片天线低剖面的前提下，较显著的提升微带天线的工作带宽。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种LTCC叠层微带贴片天线，如图1、2所示，包括：
第一层LTCC基片6：该基片采用完全相同的多张LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，厚度能够精确控制；第一层LTCC基片6上开有一同轴馈电孔5；第一层LTCC基片6的下表面除以同轴馈电孔5和同轴馈电孔5中心为圆心的圆环状陶瓷介质外，其余地方都是作为反射底板7的银电极；第一层LTCC基片6的上表面是正方形第一层辐射金属贴片4，第一层辐射金属贴片4的面积大小使得其辐射中心频点略高于整个微带贴片天线的中心工作频率。
第二层LTCC基片3：该基片材质与第一层LTCC基片6相同，但其上均匀开有许多孔穴，以降低第二层LTCC基片3的等效介电常数，并增强第一层LTCC基片6上的第一层辐射金属贴片4与第三层LTCC基片2上的第二层辐射金属贴片1之间的耦合。第二层LTCC基片3采取完全相同的多张打孔的LTCC流延膜片叠片而成，厚度能够精确控制。
第三层LTCC基片2：该层基片材质与前两层LTCC基片相同，至少是一层LTCC流延陶瓷膜片。第三层LTCC基片2的上表面是正方形第二层辐射金属贴片1，第二层辐射金属贴片1的面积大小使得其辐射中心频点略低于整个微带贴片天线的中心工作频率。
同轴馈电针：同轴馈电针从底部插入同轴馈电孔5，用银浆灌封并烧银以确保同轴馈电针与第一层LTCC基片6的上表面的第一层辐射贴片4良好接触。且同轴馈电针与反射底板之间绝缘，其间有一圈未印刷银的LTCC介质加以隔离。
所述第一、二和三层LTCC基片按照从下往上第一、二和三的顺序紧密无间隙重叠，具体可通过LTCC叠层和等静压工艺后先形成一个整体，再经低温共烧后形成一个整体。
上面所述第一、二和三层LTCC基片所采用LTCC陶瓷的相对介电常数范围为2～50。其中第一层LTCC基片厚度范围为0.5mm～50mm，可通过具用相同材质LTCC流延膜片不断层叠来获得。第二层LTCC基片厚度范围为0.5mm～50mm，可通过打孔的LTCC流延膜片不断层叠来获得。第三层LTCC基片厚度范围为0.02mm～0.1mm，至少需要一层LTCC流延膜片予以实现。
上面所述银电极和第一、二层辐射金属贴片均采用银浆经与陶瓷共烧或烧银后形成。
本发明也可用于实现频点间距不太大的双频微带贴片天线，只需适当调整第一层和第三层基片上辐射贴片的面积，使其辐射中心频点分别对应于双频天线的两个中心频点即可。
上面所述第一、二层辐射金属贴片的面积大小由天线的频率要求来决定，并且根据天线是线极化或圆极化工作方式，贴片可不切角或进行切角。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明所述微带贴片天线结构的主要特点是在LTCC结构中嵌入两层辐射贴片，产生两个分别略高于天线中心工作频率和略低于天线工作中心频率的谐振点，其辐射带宽相互叠加，可以有效拓展微带天线的带宽；通过在中间层基片开孔穴的方式，降低基片对电磁场的束缚，不仅可增强两层辐射贴片之间的耦合，而且在不增大基片面积的前提下适当拓展了天线的带宽；利用LTCC先进的叠层和层厚控制技术，保证了不同叠层之间的紧密无间隙结合，形成致密的一体化结构，提高了天线的稳定性和可靠性，且剖面厚度可控制在很小的范围内。采取本发明，相对于常规基于有机介质或陶瓷基板的微带贴片天线，可以在相同厚度下获得更宽的天线工作带宽；或者在相同工作带宽要求下，进一步降低微带贴片天线的剖面厚度。
附图说明
图1是本发明所述LTCC叠层微带贴片天线的立体结构示意图。
图2是本发明所述LTCC叠层微带贴片天线的仰视图。
图3是本发明所述一种具体LTCC叠层微带贴片天线中频率与反射损耗S11之间的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
优选实施例微带贴片天线的中心频点为1.268GHz，为BD-2型微带接收天线，本发明可在2.5mm的剖面厚度内，实现阻抗带宽超过30MHz的微带贴片天线。
图1和图2分别为该LTCC叠层微带贴片天线的立体结构示意图和仰视图。主要结构包括：
第一层LTCC基片：采用10张厚度为0.1mm的流延膜片叠层形成，在基片上适当位置开有一个直径1mm左右的馈电孔。基片大小及馈电孔的位置需按照天线同轴馈电针输入输出阻抗匹配的原则通过对天线电磁性能的仿真优化来确定。基片下表面和上表面分别印刷了作为反射底板的银电极和第一辐射金属贴片，贴片大小使得其辐射中心频点比天线的中心频率1.268GHz偏低15MHz左右。
第二层LTCC基片：采用10张厚度为0.1mm的流延膜片叠层形成，在基片上均匀开有许多孔穴，以降低该层基片的等效介电常数。该层基片与第一层基片紧密无间隙重叠。
第三层LTCC基片：为1张厚度为0.1mm的流延膜片，其上表面印刷了辐射贴片，贴片大小使得辐射中心频点比天线的中心频率1.268GHz偏高15MHz左右。该层基片与第二层基片紧密无间隙重叠。
馈电针：从天线底面的馈电孔中插入直径约为0.8mm的馈电针，通过灌封银浆和烧银后确保馈电针与第一层基片上的辐射贴片良好接触。
决定天线性能的主要参数选择及工艺说明：
(1)LTCC材料及基片厚度选择：一般来说，低介电常数及相对较厚的基板材料带宽会较宽。但基板厚度和介电常数也会影响到贴片之间的互耦。本优选实施中采用介电常数为14左右的Ferro公司ULF140型LTCC材料。第一、二层基片厚度均为1mm，分别采用10张流延厚度为0.1mm的LTCC流延膜片叠层获得。第三层基片厚度为0.1mm，采用1张流延厚度为0.1mm的LTCC流延膜片。
(2)贴片的长度和宽度：本优选实施中要实现圆极化，因此两层贴片均为正方形且进行了切角。第一层基片上辐射贴片尺寸为28.52mm。第三层基片上辐射贴片尺寸为31.35mm。
(3)第二层基片上孔穴位置和大小：可进行灵活调整，主要目的为降低该层基片的等效介电常数并增强第一层和第三层基片上辐射贴片之间的耦合。孔穴的变化会影响到第二层LTCC基片等效介电常数的大小，进而也会影响到第三层基片上辐射贴片的尺寸。因此，第三层基片上辐射尺寸的大小要结合第二层基片开孔穴的情况通过电磁仿真来确定。
(4)工艺说明：本LTCC叠层宽频微带贴片天线中的第一、二、三层基片，以及两层辐射贴片都是通过LTCC叠层、印刷、等静压和低温共烧等工艺获得，确保形成结合紧密、无间隙的一个整体，且辐射贴片尺寸大小还要根据LTCC低温共烧过程中的收缩率进行相应调整。在本优选实施中，实际印刷的辐射贴片尺寸比设计尺寸大15％，经低温共烧后与设计尺寸相当。叠层天线反射底板上的银电极及馈电针则等天线低温共烧完成后，通过手工丝网印刷的方式和灌注银浆的方式来实现，并经过烧银工艺来固化。
如上所述，便可较好的实现本发明。
图3为本优选实施LTCC叠层微带贴片天线的S参数仿真结果。该天线的最终剖面厚度低于2.5mm，但其阻抗带宽超过30MHz。相比采用常规方式设计的具有同等剖面厚度的微带贴片天线，带宽可拓宽一倍以上。很好的兼顾了微带贴片天线在低剖面和宽带化方面的要求。

Claims (5)

1、一种LTCC叠层微带贴片天线，包括：
第一层LTCC基片(6)：该基片采用完全相同的多张LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，厚度能够精确控制；第一层LTCC基片(6)上开有一同轴馈电孔(5)；第一层LTCC基片(6)的下表面除以同轴馈电孔(5)和同轴馈电孔(5)中心为圆心的圆环状陶瓷介质外，其余地方都是作为反射底板(7)的银电极；第一层LTCC基片(6)的上表面是正方形第一层辐射金属贴片(4)，第一层辐射金属贴片(4)的面积大小使得其辐射中心频点略高于整个微带贴片天线的中心工作频率；
第二层LTCC基片(3)：该基片材质与第一层LTCC基片(6)相同，但其上均匀开有许多孔穴，以降低第二层LTCC基片(3)的等效介电常数，并增强第一层LTCC基片(6)上的第一层辐射金属贴片(4)与第三层LTCC基片(2)上的第二层辐射金属贴片(1)之间的耦合；第二层LTCC基片(3)采取完全相同的多张打孔的LTCC流延膜片叠片而成，厚度能够精确控制；
第三层LTCC基片(2)：该层基片材质与前两层LTCC基片相同，至少是一层LTCC流延陶瓷膜片；第三层LTCC基片(2)的上表面是正方形第二层辐射金属贴片(1)，第二层辐射金属贴片(1)的面积大小使得其辐射中心频点略低于整个微带贴片天线的中心工作频率；
同轴馈电针：同轴馈电针从底部插入同轴馈电孔(5)，用银浆灌封并烧银以确保同轴馈电针与第一层LTCC基片(6)的上表面的第一层辐射贴片(4)良好接触；且同轴馈电针与反射底板之间绝缘，其间有一圈未印刷银的LTCC介质加以隔离；
所述第一、二和三层LTCC基片按照从下往上第一、二和三的顺序紧密无间隙重叠，具体可通过LTCC叠层和等静压工艺后先形成一个整体，再经低温共烧后形成一个整体。
2、根据权利要求1所述的LTCC叠层微带贴片天线，其特征在于，所述第一、二和三层LTCC基片所采用LTCC陶瓷的相对介电常数范围为2～50。
3、根据权利要求1所述的LTCC叠层微带贴片天线，其特征在于，第一层LTCC基片厚度范围为0.5mm～50mm，通过具用相同材质LTCC流延膜片不断层叠来获得；第二层LTCC基片厚度范围为0.5mm～50mm，；可通过打孔的LTCC流延膜片不断层叠来获得；第三层LTCC基片厚度范围为0.02mm～0.1mm，至少需要一层LTCC流延膜片予以实现。
4、根据权利要求1所述的LTCC叠层微带贴片天线，其特征在于，所述银电极和第一、二层辐射金属贴片均采用银浆经与陶瓷共烧或烧银后形成。
5、根据权利要求1所述的LTCC叠层微带贴片天线，其特征在于，所述第一、二层辐射金属贴片的面积大小由天线的频率要求决定，并且根据天线是线极化或圆极化工作方式，贴片可不切角或进行切角。
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