CN101950857A - 一种基于ltcc陶瓷介质的芯片天线 - Google Patents

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Abstract

一种基于LTCC陶瓷介质的芯片天线，属于天线技术领域。该天线由三层金属图形层和两层LTCC陶瓷介质层构成，金属接地板位于第一LTCC陶瓷介质层下表面，金属微带馈线位于第一LTCC陶瓷介质层和第二LTCC陶瓷介质层之间，金属辐射贴片位于第二LTCC陶瓷介质层上表面。金属辐射贴片中间开有两个“L”形槽；金属微带馈线末端伸入金属辐射贴片的两个“L”形槽的正下方，并与一个双“π”型馈电结构相连；两个短路销钉位于金属射贴片的两个“L”形槽的垂直段末端，并穿过第一、二LTCC陶瓷介质层将金属接地板和金属辐射贴片连在一起。本发明具有较宽的工作带宽、超低剖面和极小的外形，同时具有良好的稳定性，能够更好地和特定功能有源电路进行集成。

Description

一种基于LTCC陶瓷介质的芯片天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于LTCC陶瓷介质的芯片天线。
背景技术
当前，无线通信系统的迅猛发展对天线的要求越来越高。传统的鞭状天线，螺旋天线已逐步被内置的小型天线取代。介质芯片天线不仅具有尺寸小，重量轻，较好的全向性，电气特性稳定等优点，而且具备低成本，大批量生产的经济上的优势，因此符合无线通讯产品向轻、薄、短小方向发展的趋势。同时，LTCC多层封装技术为介质芯片天线的发展提供了强大的动力。
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。近年来，基于CMOS工艺的应用于无线局域网的单片射频收发器已经出现了。单片射频收发器有尺寸小系统可靠性高等优点，因此代表了无线通信射频系统的发展趋势。作为其中的一个重要部件，天线直接影响了射频收发器的整体性能。遗憾的是，目前由于种种原因，天线还是无法集成到射频收发器的芯片中。
为了给射频芯片提供合适的天线，研究人员设计了各种各样的芯片天线解决方案，如发明专利“一种异面弯折双频LTCC天线”，设计了一种涉及蓝牙和WLAN频带的芯片天线。但是，为了屏蔽有源电路对天线性能的影响，天线一般需要安装在金属地板之上，而上述发明专利中不带完整地板的天线在使用范围上势必会有一定的限制。另一方面，金属板反过来也会严重影响天线性能，如减少工作带宽。因此，带地板的芯片天线设计是一项重要的工作和严峻的挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，以LTCC技术为基础，提供一种用于WLAN 5.8GHz的LTCC陶瓷介质芯片天线，该天线具有超低剖面和极小的外形，且具有较宽的工作带宽和稳定性。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于LTCC陶瓷介质的芯片天线，如图1至图3所示，包括金属接地板1、金属微带馈线3、金属辐射贴片4、第一LTCC陶瓷介质层2、第二LTCC陶瓷介质层6以及两个短路销钉5。金属接地板1位于第一LTCC陶瓷介质层2整个下表面，金属微带馈线3位于第一LTCC陶瓷介质层2和第二LTCC陶瓷介质层6之间，金属辐射贴片4位于第二LTCC陶瓷介质层6上表面。金属辐射贴片4的形状为矩形，中间关于金属辐射贴片4水平中心线对称地开有两个“L”形槽，两个“L”形槽的水平段相互平行，而垂直段指向远离金属辐射贴片4水平中心线的方向。金属微带馈线3的首端位于第一LTCC陶瓷介质层2窄边中间位置，其末端伸入金属辐射贴片4的两个“L”形槽的正下方；其末端与一个双“π”型馈电结构相连。所述双“π”型馈电结构由四条平行于金属微带馈线3的微带枝节组成，所述四条平行于金属微带馈线3的微带枝节与一段公用垂直微带线相连，其中两条平行于金属微带馈线3的较长微带枝节和公用垂直微带线组成一个指向金属微带馈线3首端的大“π”结构，另外两条平行于金属微带馈线3的较短微带枝节和公用垂直微带线组成一个指向远离金属微带馈线3首端的小“π”结构。所述两个短路销钉5位于金属射贴片4的两个“L”形槽的垂直段末端，并穿过第一LTCC陶瓷介质层2和第二LTCC陶瓷介质层6，将金属接地板1和金属辐射贴片4连在一起。
本发明相较于现有技术，由于采用双“π”型微带馈电结构，展宽了天线工作带宽；并且加入短路销钉，突破了传统PCB天线的尺寸，具有超低剖面和极小的外形；将天线的金属导体依照设计印在每一层LTCC陶瓷介质层上，达到了隐藏天线设计布局的目的，同时提高了介质芯片天线的稳定性。另外，采用LTCC封装工艺，使之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是本发明提供的基于LTCC陶瓷介质的芯片天线的截面剖视图。
图2是本发明提供的基于LTCC陶瓷介质的芯片天线中金属微带馈线3结构示意图。
图3是本发明提供的基于LTCC陶瓷介质的芯片天线中金属辐射贴片4结构示意图。
图4是本发明提供的基于LTCC陶瓷介质的芯片天线的反射系数仿真曲线图。
图5是本发明提供的基于LTCC陶瓷介质的芯片天线的在5.73GHz的H面方向图。
图6是本发明提供的基于LTCC陶瓷介质的芯片天线的在5.73GHz的E面方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1至图3所示，本发明提供的一种基于LTCC陶瓷介质的芯片天线包括金属接地板1、金属微带馈线3、金属辐射贴片4、第一LTCC陶瓷介质层2、第二LTCC陶瓷介质层6以及两个短路销钉5。金属接地板1位于第一LTCC陶瓷介质层2整个下表面，金属微带馈线3位于第一LTCC陶瓷介质层2和第二LTCC陶瓷介质层6之间，金属辐射贴片4位于第二LTCC陶瓷介质层6上表面。金属辐射贴片4的形状为矩形，中间关于金属辐射贴片4水平中心线对称地开有两个“L”形槽，两个“L”形槽的水平段相互平行，而垂直段指向远离金属辐射贴片4水平中心线的方向。金属微带馈线3的首端位于第一LTCC陶瓷介质层2窄边中间位置，其末端伸入金属辐射贴片4的两个“L”形槽的正下方；其末端与一个双“π”型馈电结构相连。所述双“π”型馈电结构由四条平行于金属微带馈线3的微带枝节组成，所述四条平行于金属微带馈线3的微带枝节与一段公用垂直微带线相连，其中两条平行于金属微带馈线3的较长微带枝节和公用垂直微带线组成一个指向金属微带馈线3首端的大“π”结构，另外两条平行于金属微带馈线3的较短微带枝节和公用垂直微带线组成一个指向远离金属微带馈线3首端的小“π”结构。所述两个短路销钉5位于金属射贴片4的两个“L”形槽的垂直段末端，并穿过第一LTCC陶瓷介质层2和第二LTCC陶瓷介质层6，将金属接地板1和金属辐射贴片4连在一起。
借助目前已成熟的LTCC电路加工工艺技术，制作此天线。其中：金属接地板1长14.9mm，宽8mm；第一LTCC陶瓷介质层2长14.9mm、宽8mm、厚0.8mm；第二LTCC陶瓷介质层6长7.8mm、宽8mm、厚1mm；两层LTCC陶瓷介质层相对介电常数是5.9，损耗角正切值是0.002；金属微带馈线3特征阻抗为50欧姆，长10.1mm、宽1.1mm；与微带馈线3末端相连的双“π”型馈电结构中，四条平行于金属微带馈线3的微带枝节的特征阻抗为50欧姆，公用垂直微带线特征阻抗为100欧姆，两条较长微带枝节长1.8mm、宽1.1mm，两条较短的微带枝节长0.9mm、宽1.1mm，公用垂直微带线长5.0mm、宽0.2mm；金属辐射贴片4长7.8mm、宽8.0mm；“L”形槽水平段长3.8mm、宽0.4mm，垂直段长1.3mm、宽0.4mm；两个短路销钉半径为0.3mm。
确定上述尺寸和其他参数值后，采用三维电磁仿真软件HFSS对该天线进行仿真，得到的反射系数S11如图4所示，可见从5.4GHz-6.06GHz范围内，该天线电压驻波比VSWR＜3，即S11＜-6dB，带宽达到660MHz，相对带宽是11.5％。天线的总高度是1.86mm，实现了超低剖面，更利于和半导体芯片实现系统级封装。图5和图6分别是该天线在谐振点5.73GHz的H面和E面方向图，由图可见该天线是全向性天线且在整个工作频率范围内可以获得极好的线极化。天线的增益是2.0dBi.。
上述方案中，所述天线各部分的尺寸也可以选用其他长度，比如同比例放大或缩小，这对相关领域的技术人员来说是显而易见的；LTCC陶瓷介质的相对介电常数也可在2～10的范围内进行选择。

Claims (3)

1.一种基于LTCC陶瓷介质的芯片天线，包括金属接地板(1)、金属微带馈线(3)、金属辐射贴片(4)、第一LTCC陶瓷介质层(2)、第二LTCC陶瓷介质层(6)以及两个短路销钉(5)；金属接地板(1)位于第一LTCC陶瓷介质层(2)整个下表面，金属微带馈线(3)位于第一LTCC陶瓷介质层(2)和第二LTCC陶瓷介质层(6)之间，金属辐射贴片(4)位于第二LTCC陶瓷介质层(6)上表面；金属辐射贴片(4)的形状为矩形，中间关于金属辐射贴片(4)水平中心线对称地开有两个“L”形槽，两个“L”形槽的水平段相互平行，而垂直段指向远离金属辐射贴片(4)水平中心线的方向；金属微带馈线(3)的首端位于第一LTCC陶瓷介质层(2)窄边中间位置，其末端伸入金属辐射贴片(4)的两个“L”形槽的正下方；其末端与一个双“π”型馈电结构相连；所述双“π”型馈电结构由四条平行于金属微带馈线(3)的微带枝节组成，所述四条平行于金属微带馈线(3)的微带枝节与一段公用垂直微带线相连，其中两条平行于金属微带馈线(3)的较长微带枝节和公用垂直微带线组成一个指向金属微带馈线(3)首端的大“π”结构，另外两条平行于金属微带馈线(3)的较短微带枝节和公用垂直微带线组成一个指向远离金属微带馈线(3)首端的小“π”结构；所述两个短路销钉(5)位于金属射贴片(4)的两个“L”形槽的垂直段末端，并穿过第一LTCC陶瓷介质层(2)和第二LTCC陶瓷介质层(6)，将金属接地板(1)和金属辐射贴片(4)连在一起。
2.根据权利要求1所述的基于LTCC陶瓷介质的芯片天线，其特征在于，所述金属微带馈线(3)是特征阻抗为50欧姆的微带线；所述双“π”型馈电结构中，四条平行于金属微带馈线(3)的微带枝节的特征阻抗为50欧姆，公用垂直微带线特征阻抗为100欧姆。
3.根据权利要求1所述的基于LTCC陶瓷介质的芯片天线，其特征在于，金属接地板1长14.9mm，宽8mm；第一LTCC陶瓷介质层2长14.9mm、宽8mm、厚0.8mm；第二LTCC陶瓷介质层6长7.8mm、宽8mm、厚1mm；两层LTCC陶瓷介质层相对介电常数是5.9，损耗角正切值是0.002；金属微带馈线3特征阻抗为50欧姆，长10.1mm、宽1.1mm；与微带馈线3末端相连的双“π”型馈电结构中，四条平行于金属微带馈线3的微带枝节的特征阻抗为50欧姆，公用垂直微带线特征阻抗为100欧姆，两条较长微带枝节长1.8mm、宽1.1mm，两条较短的微带枝节长0.9mm、宽1.1mm，公用垂直微带线长5.0mm、宽0.2mm；金属辐射贴片4长7.8mm、宽8.0mm；“L”形槽水平段长3.8mm、宽0.4mm，垂直段长1.3mm、宽0.4mm；两个短路销钉半径为0.3mm。
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