CN104201480A - 一种新型ltcc叠层圆极化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型LTCC叠层圆极化微带天线，克服现有微带贴片天线在难以兼顾高增益、宽频带、圆极化以及小型化多方面性能的缺陷。该新型微带天线基于LTCC技术，增加了耦合贴片的数量，优化了现有的一个激励贴片对应一个耦合贴片的传统模式，有效提高微带天线增益，天线单元增益较传统天线单元增益提高了50％以上，中心频率处辐射效率在90％以上，在很宽的频带内具有高增益、高辐射效率，并且天线具有较好的圆极化特性，能够更好地兼顾微带贴片天线高增益、宽频带以及圆极化的性能要求。在要求一定的增益时，利用该天线单元组阵相比传统天线单元有效的减小了天线阵列的面积，实现高增益天线的小型化设计。

Description

一种新型LTCC叠层圆极化微带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种LTCC叠层高增益宽带圆极化微带天线。

背景技术

微带贴片天线具有体积小、重量轻、剖面薄和易于与载体共形的优点，在近些年被广泛应用于雷达、导弹测控、武器引信、电子对抗、移动通信、遥感遥测等领域。在机载或弹载应用的时候，对微带贴片天线尤其强调其高增益、宽频带和圆极化的性能要求。但现有的微带天线单元增益一般为4-6dBi左右，要获取更大的增益需要组成更大的天线整列，但这种方式是以增大天线的面积为代价的，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需求，使得天线结构复杂或者无法实现圆极化，另外空气层的存在也减小了天线本身的机械强度，对于圆极化阵列天线也往往无法兼顾圆极化和增益特性。

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的微带贴片天线提供了强大的动力。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。LTCC技术由于其应用在高度集成的生产,复杂的多层射频(RF)和集成天线模块而越来越受欢迎。这种技术具有成熟的多层制造能力和优良的射频性能。LTCC工艺的叠层优势改变了传统微带天线的设计模式，将LTCC工艺与微带天线的结合成为新的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型LTCC叠层圆极化微带天线，该微带天线优化天线单元结构，提高微带天线单元的增益，从而使天线实现小型化设计，克服现有微带贴片天线在难以兼顾高增益、宽频带、圆极化以及小型化多方面性能的缺陷。该新型微带天线基于LTCC技术，增加了耦合贴片的数量，优化了现有的一个激励贴片对应一个耦合贴片的传统模式，有效提高微带天线增益，天线单元增益较传统天线单元增益提高了50％以上，中心频率处辐射效率在90％以上，在很宽的频带内具有高增益、高辐射效率，并且天线具有较好的圆极化特性，能够更好地兼顾微带贴片天线高增益、宽频带以及圆极化的性能要求。在要求一定的增益时，利用该天线单元组阵相比传统天线单元有效的减小了天线阵列的面积，实现高增益天线的小型化设计。

本发明的技术方案为：

一种新型LTCC叠层圆极化微带天线，包括从下往上依次设置的接地金属层、下层介质基板、下层辐射金属贴片天线、上层介质基板、上层辐射金属贴片天线，所述上层辐射金属贴片天线、下层辐射金属贴片天线与接地金属层相互平行设置；其特征在于，所述下层辐射金属贴片天线由呈2×2阵列分布的四个下层耦合贴片及设置于四个下层耦合贴片中心的主贴片构成，所述上层辐射金属贴片天线由四个与下层耦合贴片相对应的上层耦合贴片构成；所述主贴片及上、下层耦合贴片均为加切角的正方形，上、下层耦合贴片均以主贴片为基准旋转90°、所有金属贴片在同一方向的一组对边中线处均开设有尺寸相同的矩形缝隙。

进一步的，所述上、下层耦合贴片尺寸相同、均小于主帖片尺寸0～0.5mm。

进一步的，所述主帖片边长为其中c为在真空中的光速，f为中心频率，ε_r为介质基板的相对介电常数，ΔL是受边缘场影响产生的边沿延伸量。

进一步的，所述主帖片与耦合贴片的切角尺寸均根据公式进行计算：|ΔS/S|Q₀＝0.5，其中ΔS为切角面积，S为贴片面积，Q₀为天线的品质因数。

优选的，所述下层介质基板和上层介质基板所采用LTCC陶瓷材料的相对介电常数为2～100。

所述下层介质基板和上层介质基板采用LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，上层辐射金属贴片天线和下层辐射金属贴片天线采用银浆印刷于相应介质基板表面，整个LTCC叠层圆极化微带天线经流延、印刷、叠片、打孔、填银、等静压和烧结工艺后形成。

需要说明的是：

1、本发明新型微带天线由上、下两层辐射金属贴片天线构成，四个上层金属贴片和四个下层金属贴片作为主贴片的耦合贴片，上、下层各四个耦合贴片和一个主帖片构成一个天线单元，该结构有效提高天线增益，同时调整耦合贴片间的间距，调节带宽达到相应工作指标。

2、耦合贴片以主贴片为基准旋转90°，能够提高天线的圆极化性能和阻抗频带带宽。

3、主贴片的尺寸先根据理论公式估算：

贴片宽度：贴片长度：其中c为在真空中的光速，f为中心频率，ε_r为介质基板的相对介电常数，ΔL是受边缘场影响产生的边沿延伸，需要减去，ΔL用下面两个公式计算出，ε_e为有效介电常数:

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{W})}^{-1/2},\mathrm{\ΔL}=0.412\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(W/h+0.8)},$ 其中，h为介质基板厚度。

本发明采用正方形贴片，即贴片长和宽均取估算的L值，在实际应用中，估算后的贴片尺寸应用Ansoft HFSS对主贴片尺寸进行优化，应使得整个LTCC叠层圆极化微带阵列天线的中心频率点和带宽达到指标，本文采用多层耦合圆极化单元结构，附加寄生贴片以拓展天线阻抗带宽和圆极化带宽，主贴片面积略大于耦合贴片，主帖片和耦合贴片边长的差值在0-0.5mm之间进行优化，主贴片作为激励单元，谐振在高频端，耦合贴片作为寄生单元，谐振在低频段，当两者谐振频率适当接近时，便形成阻抗频带和圆极化频带适当展宽的双峰结构，增加了频带宽度。

4、在实际应用中，主帖片与耦合贴片的切角尺寸根据公式估算后采用Ansoft HFSS对切角尺寸进行优化适当调节，以确保天线轴比达到指标，实现圆极化。金属贴片对边开设的矩形缝隙的尺寸应根据材料不同进行调节，在一定程度上有效减小天线面积。

本发明的优点和有益效果如下：1)本发明天线结构的主要特点是通过LTCC印刷工艺，可以将多层微带天线结构紧密而精确地叠加在一起，可以提高天线的精度并缩小天线的尺寸；2)本发明为双层辐射金属贴片天线，采用分散式设计，上层四个金属贴片和下层对应四个金属贴片为一组作为主贴片的耦合贴片，避免的传统的一个激励贴片对应一个耦合贴片的模式，天线增益相比传统的单元微带天线可以提高50％以上，有利于减小了天线尺寸；3)耦合贴片以主贴片为基准旋转90°，提高了天线的圆极化性能，并且增加了天线的阻抗频带带宽；4)采取两层分别高于整个天线中心频率和低于整个天线中心频率的辐射金属贴片天线，使其辐射带宽相互叠加，从而有效拓展整个天线的带宽；5)通过在辐射金属贴片增加切角，可很好的实现圆极化；6)通过在辐射金属贴片两边添加缝隙，有效减小了天线的面积。此外，本发明微带天线充分利用了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。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，不仅可在相同尺寸限制下获得更宽的天线带宽，同时天线的圆极化性能更好，并且可以获得很高的增益。

附图说明

图1是本发明LTCC叠层圆极化微带天线的结构展开示意图，其中，1为上层辐射金属贴片天线、2为下层辐射金属贴片天线、3为上层介质基板、4为下层介质基板、5为仿真端口、6为微带线、7为接地金属层、10为上、下层耦合贴片、11为主帖片。

图2是本发明LTCC叠层圆极化微带天线的顶面结构示意图。

图3是本发明LTCC叠层圆极化微带天线的下层结构示意图，其中，8为切角、9为矩形缝隙。

图4为本发明LTCC叠层圆极化微带天线在10GHz处增益与角度之间的关系曲线图。

图5为本发明LTCC叠层圆极化微带天线峰值增益与频率之间的关系曲线图。

图6为本发明LTCC叠层圆极化微带天线辐射效率与频率之间的关系曲线图。

图7为本发明LTCC叠层圆极化微带天线在10GHz处轴比与角度之间的关系曲线图。

图8为本发明LTCC叠层圆极化微带天线工作频率与反射损耗S11之间的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例与附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于该实施例。

本实施例提供的新型LTCC叠层圆极化微带天线，其结构如图1至图3所示，其中心频点为10GHz，为微带贴片收发公用天线，本发明可实现阻抗带宽超过600MHz的微带贴片天线，天线增益可达到8.01dBi，相比传统的微带贴片增益提高了50％以上,在9.23-10.37GHz的宽频带内增益均在7.5dBi以上，且天线的轴比最小可达到0.20dB,在10GHz出轴比为2.44dB,具有很好的圆极化特性。除此之外，天线也具有很高的辐射效率，在10GHz处天线效率达到95％，且在8.24-10.57GHz的频带内天线增益均达到90％以上。天线结构简单，在一定程度上简化了组阵后的馈电结构的设计，并减小了天线的面积，实现了小型化设计，增益得到了较大程度的提高，且具有较好的阻抗匹配和圆极化特性。

新型LTCC叠层圆极化微带天线，包括从下往上依次设置的接地金属层、下层介质基板、下层辐射金属贴片天线、上层介质基板、上层辐射金属贴片天线，所述上层辐射金属贴片天线、下层辐射金属贴片天线与接地金属层相互平行设置；其特征在于，所述下层辐射金属贴片天线由呈2×2阵列分布的四个下层耦合贴片及设置于四个下层耦合贴片中心的主贴片构成，主贴片通过微带线与仿真端口连接导通，所述上层辐射金属贴片天线由四个与下层耦合贴片相对应的上层耦合贴片构成；所述主贴片及上、下层耦合贴片均为加切角的正方形，上、下层耦合贴片均以主贴片为基准旋转90°、所有金属贴片在同一方向的一组对边中线处均开设有尺寸相同的矩形缝隙。

下层介质基板采用9张厚度为0.1mm，介电常数为5.9的LTCC流延膜片叠片而成，基板下表面采用银浆印刷接地金属层；基板上表面印刷下层辐射金属贴片天线和微带线，微带线的线宽经过优化确保匹配到端口阻抗为50欧姆，并且使各项性能达到要求指标。

上层介质基板采用9张厚度为0.1mm，介电常数为5.9的LTCC流延膜片叠片而成。基板上表面印刷上层辐射金属贴片天线。

上层辐射金属贴片天线的金属贴片为边长为4.96mm的正方形、切角为1.4mm，下层辐射金属贴片天线的金属贴片为边长为4.98mm的正方形、切角为0.84mm，所有贴片开设的矩形缝隙的长为1mm，宽为0.2mm，耦合贴片间距4.5mm。

Claims (6)

1.一种新型LTCC叠层圆极化微带天线，包括从下往上依次设置的接地金属层、下层介质基板、下层辐射金属贴片天线、上层介质基板、上层辐射金属贴片天线，所述上层辐射金属贴片天线、下层辐射金属贴片天线与接地金属层相互平行设置；其特征在于，所述下层辐射金属贴片天线由呈2×2阵列分布的四个下层耦合贴片及设置于四个下层耦合贴片中心的主贴片构成，所述上层辐射金属贴片天线由四个与下层耦合贴片相对应的上层耦合贴片构成；所述主贴片及上、下层耦合贴片均为加切角的正方形，上、下层耦合贴片均以主贴片为基准旋转90°、所有金属贴片在同一方向的一组对边中线处均开设有尺寸相同的矩形缝隙。

2.按权利要求1所述新型LTCC叠层圆极化微带天线，其特征在于，所述上、下层耦合贴片尺寸相同、均小于主帖片尺寸0～0.5mm。

3.按权利要求1所述新型LTCC叠层圆极化微带天线，其特征在于，所述主帖片边长为：其中c为在真空中的光速，f为中心频率，ε_r为介质基板的相对介电常数，ΔL是受边缘场影响产生的边沿延伸量。

4.按权利要求1所述新型LTCC叠层圆极化微带天线，其特征在于，所述主帖片与耦合贴片的切角尺寸均根据公式进行计算：|ΔS/S|Q₀＝0.5，其中ΔS为切角面积，S为贴片面积，Q₀为天线的品质因数。

5.按权利要求1所述新型LTCC叠层圆极化微带天线，其特征在于，所述下层介质基板和上层介质基板所采用LTCC陶瓷材料的相对介电常数为2～100。

6.按权利要求1所述新型LTCC叠层圆极化微带天线，其特征在于，所述下层介质基板和上层介质基板采用LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，上层辐射金属贴片天线和下层辐射金属贴片天线采用银浆印刷于相应介质基板表面，整个LTCC叠层圆极化微带天线经流延、印刷、叠片、打孔、填银、等静压和烧结工艺后形成。