CN101728643A - 一种液晶聚合物毫米波超宽带槽天线 - Google Patents
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Abstract
一种液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，属于电磁学技术领域，涉及射频集成超宽带天线。该天线为多层结构，金属微带馈电层位于液晶聚合物介质(LCP)的上表面，金属底板层位于LCP下表面，第一锥形金属槽层和第二锥形金属槽层嵌于LCP中；金属微带馈电层为矩形金属微带线，位于天线的宽边一侧；第一锥形金属槽层和第二锥形金属槽层为具有一个锥形喇叭开口和一个与锥形喇叭低端相连的开口槽的平面金属图形结构，二者的锥形喇叭开口方向指向天线的同一宽边，开口槽均平行于天线的长边，但二者尺寸各不相同；第一、二锥形金属槽层和金属底板层之间通过金属柱进行电气连接。该天线具有超宽带、超低剖面和极小的外形，可更好地和特定功能有源电路进行系统封装。
Description
技术领域
本发明属于电磁学技术领域，涉及射频集成超宽带天线，尤其是一种多层液晶聚合物(LCP)毫米波槽天线。
背景技术
当前，无线宽带通信的迅猛发展需要能传输高比特率的新型宽带天线。毫米波段是短距离高比特率无线通信的重要波段。所以近年来，毫米波段小型高性能的超宽带天线吸引了大量的研究人员在这方面进行研究工作。
天线设计的另一个重要的趋势是集成天线的射频前端电路。在过去几年中，低温共烧陶瓷技术(LTCC)大量用于射频前端电路。但是，LTCC材料并不是一种理想的用于天线集成的材料，因为其介电常数相对较高，会导致阻抗带宽较窄和明显的表面波。最近，有人提出了将液晶聚合物(LCP)材料用于微波和毫米波射频前端电路集成和封装。LCP材料作为一种新材料，损耗比LTCC材料更低，非常适用于制造微波，毫米波设备，因而有很好的应用前景。其优点如下：低损耗(频率为60GHz时，损耗角正切值0.002-0.004)，灵活性，密封性(吸水率小于0.004％)。正是基于以上优点，LCP材料可用于制造高频器件。
锥形槽天线是一个重要的超宽带天线类型，显示了一些优点如宽带和高增益。现有的锥形槽天线没有接地板，电磁能量是辐射到锥形槽的两侧。锥形槽天线在集成天线应用时，一般需要安装金属地板，但是金属板会严重影响天线性能，如减少工作带宽等。
发明内容
本发明提供一种用于射频前端系统集成封装的超宽带集成天线。该天线以液晶聚合物为介质，在液晶聚合物上下表面制作馈电层和接地板，在多层液晶聚合物中嵌入两层长度不同的金属锥形槽，形成带金属底板的锥形槽天线。该天线具有超宽带、超低剖面和极小的外形，由于采用LCP工艺，可更好地和特定功能有源电路进行系统封装设计，形成模块化，从而使其用于便携式设备成为可能。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，如图1至图4所示，为多层矩形结构天线，包括液晶聚合物介质1和四层金属功能层，即金属微带馈电层2、第一锥形金属槽层3、第二锥形金属槽层4和金属底板层5。所述金属微带馈电层2位于液晶聚合物介质1的上表面；所述金属底板层5位于液晶聚合物介质1的下表面；所述第一锥形金属槽层3和第二锥形金属槽层4嵌于液晶聚合物介质1中，第一锥形金属槽层3处于金属微带馈电层2和第二锥形金属槽层4之间，第二锥形金属槽层4处于第一锥形金属槽层3和金属底板层5之间。
所述金属微带馈电层2为一矩形金属微带线，如图2所示，位于矩形天线的宽边一侧。所述第一锥形金属槽层3和第二锥形金属槽层4为具有一个锥形喇叭开口和一个与锥形喇叭低端相连的开口槽的平面金属图形结构，二者的锥形喇叭开口方向指向矩形天线的同一条宽边，二者的开口槽均平行于矩形天线的长边，但二者的锥形喇叭和开口槽的尺寸各不相同。所述第一锥形金属槽层3、第二锥形金属槽层4和金属底板层5之间通过金属柱进行电气连接。
本发明所述液晶聚合物毫米波超宽带槽天线由多层液晶聚合物印制电路板经图形刻蚀、层叠、粘接而成。由于市场上出售的液晶聚合物印制电路板的厚度为标准化的，而本发明所述的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线各金属层之间的三层液晶聚合物介质的厚度有所不同，这就需要在液晶聚合物印制电路板的图形刻蚀过程中，个别液晶聚合物印制电路板需要刻蚀掉金属层，个别液晶聚合物印制电路板需要刻蚀成不同金属功能层所需图形的形状。在本发明所述天线的实际制作过程中，无需制作金属功能层的液晶聚合物印制电路板的金属层可以完全刻蚀掉，也可保留四周的金属层而形成一个如图5所示的开口环。在层叠过程中，保证所有的开口环的开口方向一致，这样可以束缚电磁波能量，在一定程度上防止电磁波能量向侧面泄露而造成能量的损失，从而可以提高天线的增益。多层液晶聚合物印制电路板经图形刻蚀后，在层叠、粘接过程中会形成一定数量的空气隙，由于空气的损耗比液晶聚合物更低，这对提高整个天线的工作带宽也是有益的。
本发明提供的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，采用了两层结构相似、但尺寸不同的辐射层，导致对应的天线谐振频率也不同，从而在单层槽天线具有的宽带特性基础上展宽了带宽；由于存在开口环引入的二次辐射，天线的增益也得到提高。整个天线采用同轴馈电，馈线内芯线接金属微带馈电层2进行馈电，屏蔽层接金属底板层5。
相较于现有技术，本发明具有以下显著优点：采用两层尺寸不同的金属锥形槽，改变天线谐振的频率，进一步展宽带宽，突破传统PCB天线的尺寸，具有超低剖面和极小的外形；将天线辐射部分内嵌于介质基片中，提高了机械强度和可靠性。另外，采用LCP工艺，使之能够更好地和特定功能有源电路进行系统封装设计，形成模块化，从而使其用于便携式设备成为可能。
附图说明
图1是本发明提供的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线的层间结构示意图。其中，1是液晶聚合物介质，2是金属微带馈电层，3是第一锥形金属槽层，4是第二锥形金属槽层，5是金属底板层。
图2是本发明提供的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线的金属微带馈电层2的形状示意图。
图3是本发明提供的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线的第一锥形金属槽层3的形状示意图。
图4是本发明提供的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线的第二锥形金属槽层4的形状示意图。
图5是本发明提供的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线中开口环的形状示意图。
图6是本发明提供的一种具体的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线的反射系数仿真曲线图。
图7是本发明提供的一种具体的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线在39GHz的E面方向图。
图8是本发明提供的一种具体的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线在52.7GHz的E面的方向图。
具体实施方式
一种液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，为多层矩形结构天线，整体尺寸为：(11mm～15mm)×(9mm～15mm)×(0.45mm～0.55mm)，包括液晶聚合物介质1、金属微带馈电层2、第一锥形金属槽层3、第二锥形金属槽层4和金属底板层5。所述金属微带馈电层2位于液晶聚合物介质1的上表面；所述金属底板层5位于液晶聚合物介质1的下表面；所述第一锥形金属槽层3和第二锥形金属槽层4嵌于液晶聚合物介质1中，第一锥形金属槽层3处于金属微带馈电层2和第二锥形金属槽层4之间，第二锥形金属槽层4处于第一锥形金属槽层3和金属底板层5之间；
所述金属微带馈电层2为一(5mm～7mm)×(0.2mm～0.5)的矩形金属微带线，位于距矩形天线的宽边8mm～9mm处；所述第一锥形金属槽层3和第二锥形金属槽层4为具有一个锥形喇叭开口和一个与锥形喇叭低端相连的开口槽的平面金属图形结构，二者的锥形喇叭开口方向指向矩形天线的同一条宽边，二者的开口槽均平行于矩形天线的长边，但二者的锥形喇叭和开口槽的尺寸各不相同；第一锥形金属槽层3的锥形喇叭开口5mm～9mm，锥形喇叭高6mm～8mm，开口槽长1.5mm～3mm，开口槽宽0.1mm～0.3mm；第二锥形金属槽层4的锥形喇叭开口4mm～9mm，锥形喇叭高3mm～5mm，开口槽长4mm～7mm，开口槽宽0.1mm～0.3mm。
所述第一锥形金属槽层3、第二锥形金属槽层4和金属底板层5之间通过金属柱进行电气连接；金属柱的个数为4个，其半径为0.1mm～0.5mm；金属微带馈电层2与第一锥形金属槽层3之间的距离为120μm～160μm；第一锥形金属槽层3与第二锥形金属槽层4之间的距离为120μm～160μm；第二锥形金属槽层4与金属底板层5之间的距离为160μm～240μm。
图6是上述天线由两种三维电磁仿真软件HFSS和CST仿真得到的反射系数S11图，可见从33GHz-60GHz范围内，该天线的电压驻波比VSWR＜2，带宽达到27GHz，相对带宽是58％。图8和图9分别是该天线在谐振点39GHz和52.7GHz的E面方向图，由图可见该天线在整个工作频率范围内可以获得椭圆极化，适合在电磁环境复杂的环境中使用。
Claims (5)
1.一种液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，为多层矩形结构天线，包括液晶聚合物介质(1)、金属微带馈电层(2)、第一锥形金属槽层(3)、第二锥形金属槽层(4)和金属底板层(5)；所述金属微带馈电层(2)位于液晶聚合物介质(1)的上表面；所述金属底板层(5)位于液晶聚合物介质(1)的下表面；所述第一锥形金属槽层(3)和第二锥形金属槽层(4)嵌于液晶聚合物介质(1)中，第一锥形金属槽层(3)处于金属微带馈电层(2)和第二锥形金属槽层(4)之间，第二锥形金属槽层(4)处于第一锥形金属槽层(3)和金属底板层(5)之间；
所述金属微带馈电层(2)为一矩形金属微带线，位于矩形天线的宽边一侧；所述第一锥形金属槽层(3)和第二锥形金属槽层(4)为具有一个锥形喇叭开口和一个与锥形喇叭低端相连的开口槽的平面金属图形结构，二者的锥形喇叭开口方向指向矩形天线的同一条宽边，二者的开口槽均平行于矩形天线的长边，但二者的锥形喇叭和开口槽的尺寸各不相同；
所述第一锥形金属槽层(3)、第二锥形金属槽层(4)和金属底板层(5)之间通过金属柱进行电气连接。
2.根据权利要求1所述的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，其特征在于，所述液晶聚合物毫米波超宽带槽天线由多层液晶聚合物印制电路板经图形刻蚀、层叠、粘接而成。
3.根据权利要求2所述的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，其特征在于，液晶聚合物印制电路板的图形刻蚀过程中，完全刻蚀掉无需制作金属功能层的液晶聚合物印制电路板的金属层。
4.根据权利要求2所述的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，其特征在于，液晶聚合物印制电路板的图形刻蚀过程中，不完全刻蚀掉无需制作金属功能层的液晶聚合物印制电路板的金属层，保留四周的金属层而形成一个开口环，在层叠过程中，保证所有的开口环的开口方向一致。
5.根据权利要求2、3或4所述的液晶聚合物毫米波超宽带槽天线，其特征在于，多层液晶聚合物印制电路板经图形刻蚀后，在层叠、粘接过程中形成一定数量的空气隙。
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