CN101931122B

CN101931122B - 一种c/x双频段微带天线

Info

Publication number: CN101931122B
Application number: CN 201010264750
Authority: CN
Inventors: 刘晓明; 魏景辉
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: CN101931122A

Abstract

一种C/X双频微带天线，属于天线技术领域。本发明采用双层高阻硅介质结构，两个频段共用一个矩形辐射贴片；上层高阻硅介质承载矩形贴片和X频段馈线，并且在上层高阻硅刻蚀出空气腔，以降低其复合介电常数，下层高阻硅介质承载C频段馈线。X频段采用微带共面馈电，C频段采用缝隙耦合馈电。本发明提供的C/X双频微带天线或C/X双频二元微带天线具有具有以下四个优点：1、单片双模，结构简单，设计灵活；2、多频化；3、小型化、轻型化；4、集成化。本发明可广泛应用于卫星通信、控制、制导、雷达等空中点对点的通信工具中。

Description

一种C/X双频段微带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种用于空中点对点通信的C/X双频段微带贴片天线。

背景技术

空中通信节点技术，涉及飞行器，卫星等载体。随着数字技术、网络技术、系统技术、MEMS技术的不断发展，空中通信节点技术有较大的变化。总的技术发展要求是设备的轻型化，即减小体积，减轻重量，降低功耗。利用数字技术、软件技术、MEMS技术、高密度组装技术等，实现空中通信节点设备的多功能集成，这些是满足现代通信需求的必然趋势。

以往空中通信节点装备体积大、重量重，对空中通信载体要求高。例如，安装在载体外部的通信天线体积大，影响载体的飞行性能。应用MEMS技术制造微带天线，使其体积大大地缩小，并可与飞行器共形，这对缩小空中通信装置的体积和重量，提高其综合功能是十分必要的。

从五十年代微带天线概念的提出，到七十年代实用微带天线的研制，至而八十年代微带天线在理论与应用上的进一步发展，今天这一类型的天线已趋于成熟，广泛的应用于卫星通信、控制、制导、雷达等领域中。微带天线凭借其剖面薄、体积小、重量轻，具有平面结构等优点在航空航天飞行器、移动通讯设备、手持通信设备中都具有良好的表现。

随着数据通信日益频繁，双频微带天线的优势也更加突出。在不增加天线尺寸的前提下，能使同一个天线工作于不同的频段。它具有的空间、重量和成本上的优势保证其具有良好的发展前景。由于双频天线能够同时工作于两个频段，不仅可以更加方便地利用不同的频段接收和发射信号，减少单一频段的信息拥堵和信号间的相互干扰，在雷达应用上还可以获得更加丰富的地物信息，便于目标识别，因此民用、军用都具有很高的价值。

在双频微带天线中使用MEMS技术是目前一个崭新的发展方向，使天线在几何尺寸、功能、物理性能等许多方面具有一般传统器件所无法比拟的优越性。利用MEMS技术制作的射频通信系统的双频微型天线即RF-MEMS双频天线，除了具有体积小、重量轻、成本低等优点外，还可与射频前端集成在一起，无需外加阻抗匹配网络，易于大批量生产。

在文献“Dual-frequency array for ACTS ground terminal”(Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium，Vol.3，20-24，PP.1824-1827，June 1994)中，由美国俄亥俄州Analex公司的Martin L.Zimmerma等人设计的一种工作在20GHz和30GHz的用于卫星收发的双频天线，具体结构如图1、图2所示。该天线采用双层RTDuroid 5880衬底结构，两个频段共用一个口面，并获得在两个频段相互垂直的极化特性。其中，30GHz频段采用微带共面馈电的结构，为了使微带天线与馈线阻抗匹配，将馈电点向天线贴片的中心移动，因此在贴片上开一个矩形槽，槽的深度就是微带线的馈电点深度，槽的大小由微带天线的输入阻抗和微带馈线的特性阻抗共同决定。阻抗匹配后，30GHz频段的回波损耗S₁₁＝-13dB。20GHz频段是以贴片的另一对边作为辐射边采用缝隙耦合馈电的方式，同时缝隙也参与谐振以增大带宽。该天线的耦合缝隙设计在矩形贴片边沿，在下层衬底使用一段具有阶梯不连续性的微带线馈电。阻抗匹配后，20GHz频段的回波损耗S₁₁＝-8dB。这种双频天线结构的优点就是设计灵活，能够方便地选择两个频段的单元形式和馈电结构；馈线分别位于接地板两侧，馈线间的隔离较好，不仅能方便对两个频段分别调节，也减小了两路信号之间的干扰，这样的结构也能方便的组成阵列。但是由于该天线属于双层结构，引入了工艺误差，机械可靠性下降；另外，两频段的辐射单元之间的串扰等影响较大。

发明内容

本发明提供一种C/X双频段微带天线，该天线采用高阻硅为基本介质材料，采用双波段馈电及辐射，同时借助于MEMS工艺，在高阻硅介质层中刻蚀出一定的空腔以降低介质层复合介电常数、减小基底损耗、减小天线尺寸和重量。

本发明技术方案如下：

一种C/X双频微带天线，如图3至图6所示，包括下层高阻硅介质层4、上层高阻硅介质层2，位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层5、位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层3和位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层1。所述下层高阻硅介质层4和上层高阻硅介质层2粘接在一起，其中上层高阻硅介质层2下表面具有矩形凹槽，上下两层高阻硅介质层粘接在一起后中间形成一个空腔6；所述位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层1包括一个矩形辐射贴片和X波段共面馈电微带线；所述位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层3为与下层高阻硅介质层上表面同尺寸的矩形金属接地板，其中正对于位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层1中矩形辐射贴片中心的地方具有一条耦合缝隙；所述位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层5为一条C波段耦合馈线。所述X波段共面馈电微带线和C波段耦合馈线的馈电结构相互垂直，且C波段耦合馈线和金属接地板中的耦合缝隙相互垂直。

本发明采用双层高阻硅介质结构，两个频段共用一个矩形辐射贴片；上层高阻硅介质承载矩形贴片和X频段馈线，并且在上层高阻硅刻蚀出空气腔，以降低其复合介电常数，下层高阻硅介质承载C频段馈线。X频段采用微带共面馈电，在X频段馈线后端先串联后并联一段特定长度的微带线，使天线输入阻抗达到50Ω，完成与其馈电系统的匹配；C频段采用缝隙耦合馈电，其耦合缝隙设计在矩形贴片中心，最大程度地增加了缝隙和贴片之间的耦合，通过改变缝隙尺寸来调节天线输人阻抗的实部；改变馈线伸出长度来调节输人阻抗的虚部，从而获得良好的驻波比，实现天线的阻抗匹配。这样的天线单元结构能方便地组成阵列，能很好地提高天线的输出功率和增益。顺应了空中通信小型化、轻型化、多频化和集成化要求。

在上述技术方案基础上，若在高阻硅介质层表面的三个金属图形层均采用并排的二元结构，即可得到下述的C/X双频二元微带天线。

一种C/X双频二元微带天线，包括下层高阻硅介质层4、上层高阻硅介质层2，位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层5、位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层3和位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层1；所述下层高阻硅介质层4和上层高阻硅介质层2粘接在一起，其中上层高阻硅介质层2下表面具有矩形凹槽，上下两层高阻硅介质层粘接在一起后中间形成一个空腔6；所述位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层1包括两个矩形辐射贴片和X波段共面馈电微带线；所述位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层3为与下层高阻硅介质层上表面同尺寸的矩形金属接地板，其中正对于位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层1中两个矩形辐射贴片中心的地方各具有一条耦合缝隙；所述位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层5为两条C波段耦合馈线；所述X波段共面馈电微带线和C波段耦合馈线的馈电结构相互垂直，且C波段耦合馈线和金属接地板中的耦合缝隙相互垂直。

本发明与现有技术相比，具有以下四个优点：

1.单片双模，结构简单，设计灵活：

本发明天线两个频段的馈线分别位于接地板两侧，馈线间的隔离较好；不仅能方便对两个频段分别调节，也减小了两路信号之间的干扰。这样的结构能方便地组成阵列。

2.多频化：

由于本发明天线能够同时工作在C/X两个频段，不仅可以更加方便地利用不同的频段接收和发射信号，减少单一频段的信息拥堵和信号间的相互干扰。另外，在不增加天线尺寸的前提下，能使同一个天线工作于不同的频段，也就实现了多频段天线系统的小型化和集成化。

3.小型化、轻型化：

根据矩形贴片天线的理论计算公式可知，介质衬底的相对介电常数越高，天线贴片的尺寸越小。因为硅基底的相对介电常数较高，所以本发明天线贴片的尺寸较小，同时减小了天线衬底和接地板的尺寸，实现了天线的小型化。本发明C/X双频段二元天线阵的尺寸仅为37.757mm*25.193mm＝951.212mm²。由于在硅基底上刻蚀了空腔，减小了硅基底的损耗，进一步降低天线重量，实现了天线的轻型化。二元天线阵的总质量仅为1.537g。

4.集成化：

由于本发明天线采用高阻硅基底，所以它可以与RF-MEMS开关等其它射频器件集成，连接多个单频段天线子系统构成多频段天线系统。由于采用MEMS工艺，该天线阵列制造精度高，有利于进行批量生产，可以与集成电路或MMIC电路进一步集成。

附图说明

图1是Martin L.Zimmerma等人设计的20GHz/30GHz双频天线的俯视图。

其中1是矩形贴片，2是30G频段天线单元的微带共面馈线，3是金属接地板上的缝隙，4是20G频段天线单元的缝隙耦合馈线。

图2是Martin L.Zimmerma等人设计的20GHz/30GHz双频天线单元结构的A-A剖面图。

其中1是上层RTDuroid 5880衬底，2是金属接地板，3是下层RTDuroid 5880衬底。

图3是本发明提供的C/X双频微带天线的横向截面剖视图。

图4是本发明提供的C/X双频微带天线中位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层(辐射贴片及X波段馈电结构)结构示意图。

图5是本发明提供的C/X双频微带天线中位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层(金属接地板)结构示意图。

图6是本发明提供的C/X双频微带天线中位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层(C波段馈电结构)结构示意图。

图7是本发明提供的C/X双频二元微带天线C波段的增益方向图。

图8是本发明提供的C/X双频二元微带天线C波段的回波损耗S₁₁曲线。

图9是本发明提供的C/X双频二元微带天线X波段的增益方向图。

图10是本发明提供的C/X双频二元微带天线X波段的回波损耗S₁₁曲线。

具体实施方案

下面对本发明作进一步说明：

1.介质基板介电常数越高，天线尺寸越小，半功率波束宽度越大，而带宽、效率越差。为了与电路或MEMS开关等射频器件集成，采用高介电常数的高祖硅做介质，此时常规设计的微带天线带宽不能满足设计要求，并且效率也很低，在小型化和大宽带相互矛盾的情况下，采用在硅基板底部挖出适当厚度的空气腔来降低复合介电常数以实现小型化、轻型化和宽带要求。因此，本天线采用高阻硅(相对介电常数为11.9，电导率为0.033s/m，损耗角正切为0.005)为介质材料。综合考虑到基板厚度对天线带宽、效率等性能的影响；结合硅片的厚度规格大小；MEMS加工工艺限制等因素；最终选择0.450mm厚的硅片作为上层介质，在上层硅衬底用MEMS干法腐蚀工艺刻蚀出0.225mm厚的空气腔，最后以0.225mm厚的硅片作下层介质。

2.由于对矩形两个边正交馈电时对各自谐振频率的影响不大，可以先按照设计单频贴片天线的方法设计双频矩形贴片尺寸，理论上矩形贴片的长宽比与频率比几乎一致。在这里根据典型的经验公式计算出贴片尺寸初值后，再经HFSS仿真优化最后得出：天线矩形贴片长为12.262mm，宽为9.565mm。天线贴片、馈线和接地板的金属材料皆为金，厚度为0.015mm。

3.X频段侧馈天线单元的输入阻抗很大，而在高介电常数的基片上，天线尺寸更小，输入阻抗更大，而相同宽度的微带线特性阻抗更小，所以要满足天线到馈线的匹配有些困难。利用Agilent公司的先进设计系统(Advanced Design System，ADS)软件对微带天线进行阻抗匹配，使其达到与50Ω馈电系统的匹配：先使用一段基于空腔硅基上的50ohm微带线馈电，其宽度为0.927mm，长度为2.697mm。经HFSS计算出X频段天线单元的输入阻抗为22.997ohm-j9.280，阻抗失配严重。可将天线等效为一个电阻R和电容C的串连，由计算公式：

R + \frac{1}{j 2 π f_{r} C} = 22.997 ohm - j 9.280

(其中f_r为X频段天线单元的谐振频率)可计算得出电阻R为22.997ohm，电容C为1.710pF。理论上可以在天线的馈线后端先串联后并联一根50ohm的微带传输线，使输入阻抗达到50ohm+j0，完成与馈电系统的匹配。利用ADS软件可计算出串联的微带线长为1.561mm，并联的微带线长为1.356mm。而基于0.450mm厚硅层上50ohm微带线宽度为0.346mm。X频段(10.01GHz)阻抗匹配后，其回波耗损S₁₁＝-37.460dB，远远优于Martin L.Zimmerman天线的-13dB。

4.C频段天线单元采用缝隙耦合馈电，该耦合缝隙尺寸的选择是本频段天线设计的又一关键。增加缝隙尺寸可以增加缝隙和下层贴片之间的耦合，提高天线的谐振频率，然而缝隙尺寸过大时，又引起天线后瓣辐射增强，前后比变差。缝隙长度引起的后瓣辐射可以通过减小下层介质厚度来降低，但这又将增加了天线的Q值，减小了天线带宽。故要对天线的性能进行综合考虑。另一个影响天线性能的是馈线开路端到中心点的伸出长度。它的值可以用来调节天线阻抗匹配。改变缝隙尺寸来调节天线输人阻抗的实部；通过改变馈线伸出长度来调节输人阻抗的虚部；从而获得良好的驻波比，实现天线的匹配。当然改变缝隙尺寸对输人阻抗虚部会有一定的影响，但是这种影响可以通过调节馈线伸出长度的长度来抵消。本C频段天线的耦合缝隙设计在矩形贴片中心，最大程度地增加了缝隙和贴片之间的耦合，并实现了更好的阻抗匹配。最终：耦合缝隙长为4.495mm，宽为0.450mm，馈线伸出长度为5.126mm。基于0.225mm厚硅层上50ohm微带线宽度为0.166mm。C频段(7.40GHz)阻抗匹配后，其回波耗损S₁₁＝-32.505dB，远远优于Martin L.Zimmerman天线的-8dB。

5.为了提高天线的输出功率和增益，可将C/X双频天线单元组成C/X双频天线阵列。为避免栅瓣效应，各阵列单元之间的间距要小于一个波长。先取二元阵列天线单元间距的初值为C频段的半个波长，再利用HFSS对其进行优化仿真，调整单元间距、改变天线阵馈线的特性阻抗与长度。另外，为保证达到各单元同幅同相的要求，必须使端口到各单元的馈线等长。最后在天线阵馈线末端采用四分之一波长阻抗变换器，以实现天线阵的阻抗匹配。最终使天线阵的驻波比、增益、效率满足设计要求，并使馈线损耗降到最小，力求结构紧凑而又满意的方向图。最优的单元间距为20.300mm，二元天线阵列的接地板、硅基底的最终尺寸均为37.757mm*25.193mm＝951.212mm²。

上述C/X双频段二元微带天线具有良好的双频辐射特性：C频段阵中心频率为7.400GHz，增益为8.198dB(增益方向图如图7所示)，带宽为170M，辐射效率为74.024％，输入阻抗为48.046ohm-j1.257，S₁₁＝-32.505dB(其回波损耗S₁₁曲线如图8所示)，VWSR＝1.049。X频段阵中心频率为10.010GHz，增益为9.328dB(增益方向图如图9所示)，带宽为230M，辐射效率为74.429％，输入阻抗为51.178ohm-j0.670，S₁₁＝-37.460dB(其回波损耗S₁₁曲线如图10所示)，VWSR＝1.027。

Claims

1.一种C/X双频微带天线，包括下层高阻硅介质层(4)、上层高阻硅介质层(2)、位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层(5)、位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层(3)和位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层(1)；所述下层高阻硅介质层(4)和上层高阻硅介质层(2)粘接在一起，其中上层高阻硅介质层(2)下表面具有矩形凹槽，上下两层高阻硅介质层粘接在一起后中间形成一个空腔(6)；所述位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层(1)包括一个矩形辐射贴片和X波段共面馈电微带线；所述位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层(3)为与下层高阻硅介质层上表面同尺寸的矩形金属接地板，其中正对于位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层(1)中矩形辐射贴片中心的地方具有一条耦合缝隙；所述位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层(5)为一条C波段耦合馈线；所述X波段共面馈电微带线和C波段耦合馈线的馈电结构相互垂直，且C波段耦合馈线和金属接地板中的耦合缝隙相互垂直。

2.一种C/X双频二元微带天线，包括下层高阻硅介质层(4)、上层高阻硅介质层(2)、位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层(5)、位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层(3)和位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层(1)；所述下层高阻硅介质层(4)和上层高阻硅介质层(2)粘接在一起，其中上层高阻硅介质层(2)下表面具有矩形凹槽，上下两层高阻硅介质层粘接在一起后中间形成一个空腔(6)；所述位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层(1)包括两个矩形辐射贴片和X波段共面馈电微带线；所述位于下层高阻硅介质层上表面的金属图形层(3)为与下层高阻硅介质层上表面同尺寸的矩形金属接地板，其中正对于位于上层高阻硅介质层上表面的金属图形层(1)中两个矩形辐射贴片中心的地方各具有一条耦合缝隙；所述位于下层高阻硅介质层下表面的金属图形层(5)为两条C波段耦合馈线；所述X波段共面馈电微带线和C波段耦合馈线的馈电结构相互垂直，且C波段耦合馈线和金属接地板中的耦合缝隙相互垂直。