CN102280699A

CN102280699A - 一种ltcc叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线

Info

Publication number: CN102280699A
Application number: CN2011101135182A
Authority: CN
Inventors: 苏桦; 唐晓莉; 张怀武; 李旭哲; 钟智勇; 荆玉兰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2011-12-14

Abstract

一种LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线，属于天线技术领域。包括馈电层、辐射层介质基板；馈电层介质基板上表面是具有“十字”形镂空区域的接地金属层，下表面具有馈电电路以及与馈电电路绝缘的屏蔽金属层；馈电电路将引入的激励信号功分、移相成为四个幅度相等、相位依次相差90°的分支激励信号，并通过“十字”形镂空区域耦合到辐射金属层；接地金属层与屏蔽金属层之间通过平均分布的金属化通孔相互连通；辐射层介质基板其上表面的辐射金属层为一个分形图形结构，分形图形结构是在正方形金属贴片内部内接镂空圆，再在镂空圆内接正方形金属贴片，如此依次迭代而成。本发明具有兼顾低剖面、宽频带、圆极化以及小型化的优势。

Description

一种LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线

技术领域：

本发明属于天线技术领域，特别是一种用于无线电接收的低剖面微带分形贴片天线。

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，在卫星定位、无线通信、远程遥感、航空航天等领域的应用十分广泛。在机载或弹载应用的时候，对微带贴片天线尤其强调其低剖面、宽频带和圆极化的性能要求。但微带贴片天线输入阻抗随频率的变化十分敏感，导致其阻抗带宽很窄。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。但这些方式都是以增大天线的厚度或面积为代价的，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。此外，在实现微带贴片天线的圆极化性能方面，目前主要都是采取在辐射贴片上进行适当切角的方式。这种方式虽然实现起来比较方便，但天线的圆极化效果并不是太好，天线轴比参数较差，且对贴片切角的尺寸精度要求很高。

近年来LTCC(低温共烧陶瓷)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，因而有望为开发新型的低剖面、宽频化以及低轴比的微带贴片天线创造条件。

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技术的天线设计和制作都还处于初级阶段，且主要都是关于曲折线型结构蓝牙微带天线的报道和专利申请(如专利申请号：200710027140.8；200710067942.1)。此外，我们此前也申请了两项LTCC叠层微带贴片天线的发明专利(专利申请号：200910058735.9和201019087048.X)，但前一申请专利中，发明点主要侧重于在维持低剖面的前提下采取创新结构设计来提高天线的带宽上，馈电方式为单馈电。在后一申请专利中，发明创新点则主要侧重于基于LTCC叠层和通孔技术，采取双馈电的方式，更好的兼顾微带贴片天线低剖面、宽频带以及圆极化的性能。在本申请专利中，采取的方式与以上两申请专利完全不同，本专利采取电磁耦合馈电的方式，基于LTCC技术和创新设计的馈电网络及结构特征来实现微带天线的圆极化，宽频带和小型化，同时兼具天线低剖面的优点。

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、宽频带，圆极化以及小型化方面的不足，提供一种LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线，可以更好的兼顾了微带贴片天线低剖面、宽频带，圆极化以及小型化的性能要求。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线，如图1至图3所示，包括相互重叠的馈电层介质基板和辐射层介质基板。所述馈电层介质基板采用相同的多张LTCC流延陶瓷膜片叠片烧结而成，其上表面印刷了一层具有对称“十字”形镂空区域的接地金属层，其下表面印刷得有馈电电路以及与馈电电路绝缘的屏蔽金属层；所述辐射层介质基板采用相同的多张LTCC流延陶瓷膜片叠片烧结而成，其上表面印刷得有辐射金属层。

所述馈电电路包括Wilkins功分器和90°移相微带线，其功能是将引入的激励信号功分、移相成为四个幅度相等、相位按顺时针或逆时针方向依次相差90°的分支激励信号，四个分支激励信号所在端口的几何中心与接地金属层中对称“十字”形镂空区域的几何中心以及辐射金属层的几何中心位于同一条垂直于辐射金属层的直线上。

所述接地金属层与所述屏蔽金属层之间通过平均分布的金属化通孔相互连通。

所述辐射金属层为一个分形图形结构(如图3所示)，所述分形图形结构是在正方形金属贴片内部内接镂空圆，再在镂空圆内接正方形金属贴片，如此依次迭代而成；其中，每个镂空圆的直径小于它所外接的正方形金属贴片的边长；每个内接正方形金属贴片对角线长度大于它所外接镂空圆的直径，并将它所外接的镂空圆分割成四个对称的弓形镂空。

上面所述基板所采用LTCC陶瓷的相对介电常数范围可取2～100之间。各层基板通过LTCC叠层和等静压工艺后先形成一个生坯整体，再进行低温共烧。接地金属层以及屏蔽金属层除了可采取大面积印刷银浆的方式外，也可采取印刷网格银浆的方式，这样有助增强LTCC叠层的附着力，但同时也会在一定程度上增大天线的损耗。

需要说明的是：

1、“十字”形镂空区域使得天线最底层的激励端口能与天线最上层的辐射贴片相互耦合，并可通过改变“十字”形镂空区域的长宽尺寸可控制天线耦合强度的大小，从而实现对天线谐振频点和输入电阻的调节，最终达到展宽频带的目的。

2、四个分支激励端口的作用是向“十字”形镂空区域的每个节提供90°的相位差，即0°，90°，180°，270°，从而可以保证得到良好的圆极化性能。

3、接地金属层与屏蔽金属层之间通过平均分布的金属化通孔相互连通，有助于降低馈电电路各部分微带之间以及四个分支激励端口之间的耦合干扰。

4、通过调整辐射金属层的面积大小可调整天线的谐振中心频率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明提供了一种低剖面、小型化、圆极化且具有较宽带宽的耦合馈电微带贴片天线。该天线结构的主要特点是通过LTCC印刷工艺，在微带天线最底层通过印刷的功分和移相电路将一组激励信号分解成幅度相等、相位按顺时针或逆时针方向依次相差90°的四组激励端口信号。这四组激励信号通过一个对称结构的“十字”形镂空区域耦合到最上层的采用分形结构的辐射贴片上，实现圆极化和宽频带的信号的发射或接收。同时，通过在接地金属层和屏蔽金属层之间开金属化通孔的方式，有助于降低馈电电路各部分微带之间以及四个激励端口之间的耦合干扰，改善天线性能。此外，采用分形的辐射贴片的好处在于能够进一步降低天线尺寸并拓宽带宽。本发明可使微带天线在同等剖面厚度上实现比以往单馈或双馈等直接馈电方式更宽的带宽，可充分利用到LTCC技术印刷、叠层、通孔和填孔的优势，制备的天线结构紧凑，剖面厚度更小；本发明利用分形结构的空间填充性，使天线辐射贴片的尺寸得到减缩；本发明采取将一组馈电信号分解成相位依次差90°的四组激励端口信号耦合的方式，天线也能够获得非常好的圆极化性能。

附图说明

图1是本发明提供的LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线中馈电层介质基板上表面结构示意图。

图2是本发明提供的LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线中馈电层介质基板下表面结构示意图。

图3是本发明提供的LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线中辐射层介质基板上表面结构示意图。

图4是本发明提供的LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线的S11仿真结果。

具体实施方式

下面结合一个优选实施及附图，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型微带接收贴片天线，本发明可在3mm的剖面厚度内，实现阻抗带宽超过60MHz的微带贴片天线，且天线的轴比可小于1.5。

本优选实施例主要结构包括：

馈电层介质基板：该基板采用15张厚度均为100μm的LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，流延陶瓷膜片的介电常数为14。该基板的上表面除一个对称的“十字”形镂空区域外，其它部分都全部印刷银浆，作为接地金属层(如图1所示)。在馈电层介质基板的下表面印刷有馈电电路，其目的是把一组引入的激励信号通过Wilkins功分器和和90°移相微带线分解成四个幅度相等、相位按顺时针或逆时针方向依次相差90°的分支激励信号，这四个分支激励信号所在端口的几何中心与接地金属层中对称“十字”形镂空区域的几何中心以及辐射金属层的几何中心位于同一条垂直于辐射金属层的直线上，从而可以保证得到良好的圆极化性能。同时，在馈电层介质基板下表面，馈电电路未经过的地方都进行金属化处理，作为馈电网络的屏蔽金属层。屏蔽金属层可通过印刷银浆来实现，但需保证印刷的银浆与馈电电路之间相互绝缘(如图2所示)。所述接地金属层与所述屏蔽金属层之间通过平均分布的金属化通孔相互连通，有助于降低馈电网络各部分微带之间以及四个激励端口之间的耦合干扰。

辐射层介质基板：该基板叠加在馈电层基板上，同样也是采用15张厚度均为100μm的LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，流延陶瓷膜片的介电常数为14。其上表面，馈电层介质基板上表面的对称“十字”形镂空区域的正上方，印刷有一个分形结构的辐射贴片。该辐射贴片的分形结构是在正方形金属贴片内部内接镂空圆，再在镂空圆内接正方形金属贴片，如此依次迭代3次而成；其中，每个镂空圆的直径小于它所外接的正方形金属贴片的边长；每个内接正方形金属贴片对角线长度大于它所外接镂空圆的直径，并将它所外接的镂空圆分割成四个对称的弓形镂空(如图3所示)。

如上所述，便可较好的实现本发明。

图4为本优选实施LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线的S₁₁参数仿真结果。该天线的最终剖面厚度为3mm，但其阻抗带宽达到63.4MHz，，辐射贴片的面积只有17.8mm见方。相比采用常规方式、相同介电常数和同等剖面厚度设计的单馈微带贴片天线，带宽可拓宽一倍以上。此外，在中心频点处轴比可低于1dB，圆极化性能也非常好。因此，本发明天线很好的兼顾了微带贴片天线在低剖面、小型化、宽带化和圆极化方面的综合要求。

Claims

1.一种LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线，包括相互重叠的馈电层介质基板和辐射层介质基板；其特征在于：

所述馈电层介质基板采用相同的多张LTCC流延陶瓷膜片叠片烧结而成，其上表面印刷了一层具有对称“十字”形镂空区域的接地金属层，其下表面印刷得有馈电电路以及与馈电电路绝缘的屏蔽金属层；所述辐射层介质基板采用相同的多张LTCC流延陶瓷膜片叠片烧结而成，其上表面印刷得有辐射金属层；

所述馈电电路包括Wilkins功分器和90°移相微带线，其功能是将引入的激励信号功分、移相成为四个幅度相等、相位按顺时针或逆时针方向依次相差90°的分支激励信号，四个分支激励信号所在端口的几何中心与接地金属层中对称“十字”形镂空区域的几何中心以及辐射金属层的几何中心位于同一条垂直于辐射金属层的直线上；

所述接地金属层与所述屏蔽金属层之间通过平均分布的金属化通孔相互连通；

所述辐射金属层为一个分形图形结构，所述分形图形结构是在正方形金属贴片内部内接镂空圆，再在镂空圆内接正方形金属贴片，如此依次迭代而成；其中，每个镂空圆的直径小于它所外接的正方形金属贴片的边长；每个内接正方形金属贴片对角线长度大于它所外接镂空圆的直径，并将它所外接的镂空圆分割成四个对称的弓形镂空。

2.根据权利要求1所述的LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述馈电层介质基板和辐射层介质基板材料的相对介电常数范围在2～100之间。

3.根据权利要求1所述的LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述接地金属层、馈电电路、屏蔽金属层以及辐射金属层材料为银。

4.根据权利要求1所述的LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线，其特征在于，通过改变“十字”形镂空区域的长宽尺寸可控制天线耦合强度的大小，从而实现对天线谐振频点和输入电阻的调节，最终达到展宽频带的目的。

5.根据权利要求1所述的LTCC叠层耦合馈电圆极化微带贴片天线，其特征在于，通过调整辐射金属层的面积大小可调整天线的谐振中心频率。