CN105680170A - Ltcc天线 - Google Patents

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张宗兵
黄昆
付振晓
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

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Abstract

本发明涉及一种LTCC天线，设置在测试板上，在所述测试板上设有馈电端口及接地金属层。LTCC天线，采用低损耗、介电系数低的低温烧结陶瓷制作而成。LTCC天线包括位于叠层体内的多个电极层以及包裹部分叠层体的两个封端电极；其中，第一封端电极在通过馈线连接测试板上设置的馈电端口，同时还通过短路线连接接地金属层，第二封端电极通过短路线连接接地金属层。上述LTCC天线由于两个封端电极部分包裹其叠层体，以容性加载原理实现天线辐射，辐射效率高。同时LTCC天线尺寸小、成本低，而且上述LTCC天线的结构中不用设置通孔，工艺简单、便于操作。

Description

LTCC天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及LTCC天线。
背景技术
近年来，随着物联网、可穿戴产业的不断发展和壮大，相应的，对无线通信技术硬件也提出了更高的要求。为了使客户终端，可穿戴产品更方便携带，电子产品剖面小型化的需求成为市场主流。
目前，基于低温共烧陶瓷(LowTemperatureCo-firedCeramic，LTCC)工艺技术的金属天线主要结构是倒F天线和各种变形的单极子天线，但很难做小，即使可以做小，从材料角度讲，需要很高的介电常数，这种材料价格比较昂贵，从工艺角度讲，在充分利用LTCC的多层技术的过程中会增加通孔数，导致工艺复杂，需要做更多的丝网，同时增加误差变量，这样会使成本急剧增加，这就要求一种既可以做小尺寸又可以减少成本的天线结构。
发明内容
基于此，有必要针对体积大、成本高、工艺复杂的问题，提供一种基于LTCC的天线。
一种LTCC天线，设置在测试板上，在所述测试板上设有馈电端口及接地金属层，包括：
叠层体，包括沿层叠方向层叠在一起的多个片状陶瓷介质层和位于相应所述陶瓷介质层上表面的电极层；
外部电极，包括第一封端电极和第二封端电极；所述第一封端电极、第二封端电极分别设置在所述叠层体的两端，且包裹部分所述叠层体；所述第一封端电极分别与馈电端口、接地金属层连接；所述第二封端电极通过短路线与所述接地金属层连接。
在其中一个实施例中，所述电极层包括第一电极层、第二电极层和第三电极层，所述第一电极层、第二电极层与第三电极层均平行设置，且相邻电极层的间距为150微米。
在其中一个实施例中，所述电极层的形状为矩形、三角形、圆形或者菱形中的一种。
在其中一个实施例中，若所述电极层为矩形，则所述矩形的尺寸范围为：长度为0.1mm～0.8mm；宽度为0.8mm～1.6mm。
在其中一个实施例中，所述第一封端电极包括第一上电极、第一端电极和第一下电极；所述第二封端电极包括第二上电极、第二端电极和第二下电极；
所述第一上电极、第二上电极均位于所述叠层体的上表面；所述第一端电极、第二端电极分别位于所述叠层体的两端，所述第一下电极、第二下电极均与所述测试板接触连接。
在其中一个实施例中，所述第一上电极、第二上电极、第一下电极、第二下电极的长度范围均为：0.1mm～1.2mm；
所述第一上电极、第二上电极、第一下电极、第二下电极的宽度范围均为：0.8mm～1.8mm。
在其中一个实施例中，所述叠层体为方形结构，长度为3～3.2mm；宽度为1mm～1.8mm；高度为0.4mm～0.8mm；
所述叠层体中的陶瓷介质层为低温共烧陶瓷层，所述低温共烧陶瓷层的相对介电常数在5.4～10之间。
在其中一个实施例中，所述电极层、第一上电极、第二上电极、第一下电极、第二下电极采用银浆印刷于相应所述陶瓷介质层表面；所述第一端电极和第二端电极电镀于相应所述叠层体的端面。
在其中一个实施例中，在所述LTCC天线与所述测试板之间设有净空区；所述净空区的长度为3mm；宽度为4mm～8mm。
在其中一个实施例中，所述测试层上还设有匹配网络；所述匹配网络为T型匹配网；所述接地金属层为铜层。
上述LTCC天线，采用低损耗、介电系数低的低温烧结陶瓷制作而成。LTCC天线包括位于叠层体内的多个电极层以及包裹部分叠层体的两个封端电极；其中，第一封端电极在通过馈线连接测试板上设置的馈电端口，同时还通过短路线连接接地金属层，第二封端电极通过短路线连接接地金属层。上述LTCC天线由于两个封端电极部分包裹其叠层体，以容性加载原理实现天线辐射，辐射效率高。同时LTCC天线尺寸小、成本低，而且上述LTCC天线的结构中不用设置通孔，工艺简单、便于操作。
附图说明
图1为LTCC天线的整体装配示意图；
图2为LTCC天线立体结构示意图；
图3为图2中LTCC天线沿A-A的剖面图；
图4为LTCC天线的俯视图；
图5为LTCC天线的仿真曲线；
图6为LTCC天线中不同尺寸下的容性电极的仿真曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示的为LTCC天线的整体装配示意图，图中LTCC天线10设置在测试板20上，同时在测试板上设有馈电端口210及接地金属层220。在本实施例中，接地金属层220是通过在测试板上覆盖金属铜而形成的。
如图2所示的为LTCC天线的立体结构示意图，图中，LTCC天线10包括叠层体110，包括沿层叠方向层叠在一起的多个片状陶瓷介质层111和位于相应陶瓷介质层111上表面的电极层113。
如图3所示的为图2中LTCC天线沿A-A的剖面图，LTCC天线10还包括外部电极120，外部电极120包括第一封端电极122和第二封端电极124；第一封端电极122、第二封端电极124分别设置在叠层体110的两端，且包裹部分叠层体110。参考图1，第一封端电极122分别与馈电端口210、接地金属层220连接，其中，通过馈电线212与信号源连接，第一封端电极122通过短路线214；第二封端电极124通过短路线216与接地金属层220连接。
在本实施例中，陶瓷介质层111为低温共烧陶瓷层，低温共烧陶瓷层的相对介电常数在5.4～10之间。由于使用的为介电常数5.4～10范围内变化的介质材料，成本低。一般而言，其介电常数在15及以上的低温共烧陶瓷的价格相对昂贵。
电极层113包括第一电极层1131、第二电极层1133和第三电极层1135，第一电极层1131、第二电极层1133与第三电极1135层均平行设置，且相邻电极层113的间距为150微米。
电极层113的形状为矩形、三角形、圆形或者菱形中的一种。在本实施例中，其电极层113均为矩形，矩形的尺寸范围为：长度为2mm～3.2mm；宽度为0.8mm～1.6mm。在本实施例中，第一电极层1131、第二电极层1133和第三电极层1135的形状相同，其尺寸也相同，其长度L1为2.8mm；宽度W1为1.6mm。在其他实施例中，第一电极层1131、第二电极层1133和第三电极层1135的形状可以相同也可以不同；相应的，其具体的尺寸可以相同，也可以不同。一般可根据具体所需要的LTCC天线的辐射参数进行调整。
参考图3，第一电极层1131、第二电极层1133和第三电极层1135叠嵌设置于叠层体110内，充分利用三维空间，减小了天线的尺寸。叠层体为方形结构，长度L为3～3.2mm；宽度W为1mm～1.8mm；高度H为0.4mm～0.8mm。在本实施例中，叠层体的具体尺寸：长L为3.2mm；宽W为1.8mm；高H为0.6mm。
LTCC天线是利用LTCC技术，将沿层叠方向层叠在一起的多个片状陶瓷介质层和位于相应陶瓷介质层上表面的多个电极层，层叠片而成。
在本实施例中，第一电极层1131、第二电极层1133和第三电极层1135是采用银浆印刷于相应陶瓷介质层111表面而形成的。
在本实施例中，参考图2和图3，第一封端电极122包括第一上电极1222、第一端电极1224和第一下电极1226；第二封端电极124包括第二上电极1242、第二端电极1244和第二下电极1246。第一上电极1222、第二上电极1242均位于叠层体的上表面；第一端电极1224、第二端电极1244分别位于叠层体100的两端，第一下电极1226、第二下电极1246均与接地金属层220接触连接。参考图1，第一封端电极122通过馈线与测试板200上的馈电端口连接，其馈电端口用于连接信号源；第一封端电极122还通过短路线214与接地金属层220连接。第二封端电极124也是通过短路线216与接地金属层220连接。在本实施例中，其第一下电极1226与第二下电极1246与测试板焊接。
如图4所示的为LTCC天线的俯视图，第一上电极1222、第二上电极1242、第一下电极1226、第二下电极1246的长度L2范围均为：0.1mm～1.2mm；第一上电极1222、第二上电极1242、第一下电极1226、第二下电极1246的宽度W2范围均为：0.8mm～1.8mm。在本实施例中，第一封端电极和第一封端电极的结构即尺寸均相同。同时，上电极(1222、1242)与下电极(1226、1246)相对设置，上电极(1222、1242)和下电极(1226、1246)的形状尺寸也都相等，其中，上电极(1222、1242)和下电极(1226、1246)的长度L2均为1.092mm，宽度W2为1.8mm。在本实施例中，其LTCC天线具体尺寸为3.2mm*1.8mm*0.6mm。
进一步的可以理解：LTCC天线10是基于低温共烧烧陶瓷而制成的小型天线，LTCC天线10的损耗小、成本低。同时，馈线高频电流通过第一封端电极和第二封端电极的作用，把电磁能量耦合进入容性电极(第一电极层1131、第二电极层1133和第三电极层1135)，使容性电极(第一电极层1131、第二电极层1133和第三电极层1135)产生高频电流和振荡的电磁场，从而产生向外辐射的电磁波。
在本实施例中，第一上电极1222、第二上电极1242、第一下电极1226、第二下电极1246采用银浆印刷于相应陶瓷介质层表面；第一端电极1224和第二端电极1244采用离子电镀于相应叠层体的两个端面。经过一系列的LTCC工艺技术将陶瓷介质、电极层(1131、1133、1135)、第一封端电极122和第二封端电极124共同烧结制成LTCC天线。
参考图1，在本实施例中，在LTCC天线10周围一定范围内以及垂直下方与测试板之间才设有净空区230；净空区230是指LTCC天线10周围一定范围内以及垂直下方，除连接焊盘和短路线外均不能有任何金属的区域。净空区230的长度为3mm；宽度为4mm～8mm。由于净空区230的区域小，能进一步减小LTCC天线10在电路中所占的面积。
如图5所示的为LTCC天线的仿真曲线，是在介电常数为5.9，经过第一电极层1131、第二电极层1133和第三电极1135层优化后的LTCC天线10的性能指标。其中LTCC天线10的尺寸为：3.2mm*1.8mm*0.6mm。LTCC天线的仿真曲线是采用HFSS软件进行测试的。通过分析仿真曲线可以看出，通带频率范围为2.4GHz～2.5GHz，其S11参数能够达到其性能要求。其中，S11参数是指天线反射能量与入射能量的比值；S11越大，反射越厉害，性能越差。LTCC天线10在中心频点的回波损耗为-42dB，这说明LTCC天线具有优良的性能。
如图6所示的为LTCC天线10中不同尺寸下的容性电极的仿真曲线，分析可知，LTCC天线10的谐振点随着内部电极尺寸的增加而向低频移动，反之，随着内部电极尺寸的减少向高频移动。
在本实施例中，测试板20上层和下层间距为800微米，在测试板上还设有匹配网络(图中未示)，其匹配网络为T型匹配网。可以在接近LTCC天线本身的馈线部分开一个金属缝隙，用来焊接电容或者电感，还可以再馈线和接地金属层之间焊接电容或者电感，形成T型匹配网。
在以元器件小型化的主流下，上述LTCC天线具有成本低、结构简单且尺寸较小的特征。具体来说：从材料角度讲，利用介电常数较低的低温烧结陶瓷介质，成本本；另外LTCC天线的结构简单，以简单的容性加载原理实现天线辐射，不但可以有效地减小天线尺寸，而且在层叠过程中，没有通孔等连接处，方便减小工艺复杂度，从而节约成本，符合当前元器件发展的趋势。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种LTCC天线，设置在测试板上，在所述测试板上设有馈电端口及接地金属层，其特征在于，包括：
叠层体，包括沿层叠方向层叠在一起的多个片状陶瓷介质层和位于相应所述陶瓷介质层上表面的电极层；
外部电极，包括第一封端电极和第二封端电极；所述第一封端电极、第二封端电极分别设置在所述叠层体的两端，且包裹部分所述叠层体；所述第一封端电极分别与馈电端口、接地金属层连接；所述第二封端电极通过短路线与所述接地金属层连接。
2.根据权利要求1所述的LTCC天线，其特征在于，所述电极层包括第一电极层、第二电极层和第三电极层，所述第一电极层、第二电极层与第三电极层均平行设置，且相邻电极层的间距为150微米。
3.根据权利要求1所述的LTCC天线，其特征在于，所述电极层的形状为矩形、三角形、圆形或者菱形中的一种。
4.根据权利要求3所述的LTCC天线，其特征在于，若所述电极层为矩形，则所述矩形的尺寸范围为：长度为0.1mm～0.8mm；宽度为0.8mm～1.6mm。
5.根据权利要求1所述的LTCC天线，其特征在于，所述第一封端电极包括第一上电极、第一端电极和第一下电极；所述第二封端电极包括第二上电极、第二端电极和第二下电极；
所述第一上电极、第二上电极均位于所述叠层体的上表面；所述第一端电极、第二端电极分别位于所述叠层体的两端，所述第一下电极、第二下电极均与所述测试板接触连接。
6.根据权利要求5所述的LTCC天线，其特征在于，所述第一上电极、第二上电极、第一下电极、第二下电极的长度范围均为：0.1mm～1.2mm；
所述第一上电极、第二上电极、第一下电极、第二下电极的宽度范围均为：0.8mm～1.8mm。
7.根据权利要求1所述的LTCC天线，其特征在于，所述叠层体为方形结构，长度为3～3.2mm；宽度为1mm～1.8mm；高度为0.4mm～0.8mm；
所述叠层体中的陶瓷介质层为低温共烧陶瓷层，所述低温共烧陶瓷层的相对介电常数在5.4～10之间。
8.根据权利要求5所述的LTCC天线，其特征在于，所述电极层、第一上电极、第二上电极、第一下电极、第二下电极采用银浆印刷于相应所述陶瓷介质层表面；所述第一端电极和第二端电极电镀于相应所述叠层体的端面。
9.根据权利要求1所述的LTCC天线，其特征在于，在所述LTCC天线与所述测试板之间设有净空区；所述净空区的长度为3mm；宽度为4mm～8mm。
10.根据权利要求1所述的LTCC天线，其特征在于，所述测试层上还设有匹配网络；所述匹配网络为T型匹配网；所述接地金属层为铜层。
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