CN108539401B - 一种ltcc双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元 - Google Patents

一种ltcc双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，提供一种LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元，用以解决现有圆极化微带贴片阵列天线兼顾其低剖面、圆极化、高增益、宽频带发展的矛盾；本发明天线单元中，上层辐射金属贴片与下层辐射金属贴片尺寸不同，下层辐射金属贴片谐振频点高于天线单元中心频率、上层辐射金属贴片谐振频点低于天线单元中心频率；所述下层辐射金属贴片的切角尺寸大于上层辐射金属贴片切角尺寸，且上、下辐射金属贴片的切角尺寸使单点馈电方形贴片产生幅度相等的两个正交简并模形成90°相位差；本发明通过采用相同形状、不同尺寸的上、下辐射金属贴片，实现更好地兼顾了微带贴片天线低剖面、圆极化的性能要求，同时大大提高天线的频带带宽。

Description

一种LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种新型LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元。
背景技术
圆极化天线具有旋向正交性，可接收任意极化波，其辐射波也可由任意极化天线接收；圆极化波入射到对称目标时，反射波会反旋等优点。阵列天线相比于阵列辐射天线单元具有更高的增益，更窄的波束，较强的定向性和空间波束扫描特性。而圆极化微带贴片阵列天线不仅具有以上两种天线的优点，同时还具有微带贴片天线剖面低、结构简单、体积小、重量轻、制作容易、成本低廉、能与载体或飞行器共形、易于实现圆极化特性并且很容易集成到微带电路当中等优点。这些优点使其在无线通信、机载通信、卫星定位、远程遥感、航空航天等领域得到了广泛的应用。
圆极化微带贴片阵列天线因其众多的优点而有着更大的实际应用潜力，但微带贴片天线实质上近似于封闭的谐振系统，这一特点使其频带比较窄，而现代通信要求其具有更宽的频带带宽。目前常见的展宽微带贴片天线的方法包括增大基板厚度、采用多层结构、附加阻抗匹配等，但这些不仅不利于天线的小型化，也使天线结构更加复杂。此外，在实现微带贴片天线圆极化方面，目前常见的有采用多馈电和进行贴片切角的方法，但前者增加了天线结构的复杂度，使天线的增益降低，后者对贴片切角的尺寸精度要求较高。而微带贴片阵列天线单元直接影响着微带贴片阵列天线的性能，圆极化微带贴片阵列天线兼顾其低剖面、圆极化、高增益、宽频带发展的矛盾始终未得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LTCC技术的双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元，用以解决现有圆极化微带贴片阵列天线兼顾其低剖面、圆极化、高增益、宽频带发展的矛盾。本发明天线单元更好地兼顾了微带贴片天线低剖面、圆极化的性能要求，同时大大提高天线的频带带宽。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元，包括：上层LTCC基板1、下层LTCC基板2、上层辐射金属贴片4、馈电网络5、下层辐射金属贴片7、馈电端口6和接地金属层3，其中，接地金属层3位于下层LTCC基板2的下表面，下层辐射金属贴片7与馈电网络5设于下层LTCC基板2的上表面，上层辐射金属贴片4位于上层LTCC基板1的上表面，馈电端口6开设于下层LTCC基板2上相应位置并与馈电网络5相连；其特征在于，所述上层辐射金属贴片4与下层辐射金属贴片7形状相同，均为加切角的正方形、且一组对边上开设有矩形缝隙；所述上层辐射金属贴片4与下层辐射金属贴片7尺寸不同，其中，下层辐射金属贴片7谐振频点高于整个LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元中心频率、上层辐射金属贴片4谐振频点低于LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元中心频率；所述下层辐射金属贴片的切角尺寸大于上层辐射金属贴片切角尺寸，且上、下辐射金属贴片的切角尺寸使单点馈电方形贴片产生幅度相等的两个正交简并模形成90°相位差。
进一步的，所述上、下层辐射金属贴片距离LTCC基板的对应边缘距离要大于1/4中心频率处的真空波长。
所述馈电网络5采用四分之一波长变换段9与特性阻抗为50欧的微带线8相连接；所述馈电部分5的带状线线宽由LTCC基板的介电常数大小和厚度确定，以确保与特性阻抗为50欧的微带线8连接的1/4波长变换段的阻抗为50欧姆。
所述上、下层LTCC基板所采用的LTCC陶瓷材料的相对介电常数在2～200之间。
所述馈电网络、上、下层辐射金属贴片以及接地金属层均采用银浆印刷于相应LTCC基板表面；整个LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元经流延、打孔、印刷、叠层、等静压、切割和烧结后成型。
需要说明的是，本发明中，上、下层辐射金属贴片的辐射金属贴片尺寸、切角尺寸和上下基板厚度是控制天线圆极化的主要因素；其中，所述上、下层基板厚度由天线的最高工作频率和LTCC基板的介电常数大小确定，同时下层基板厚度应略大于上层基板厚度，以确保天线在更宽的频带内实现圆极化；上、下层辐射金属贴片的谐振频点由尺寸决定，尺寸(面积)大小关系应使下层辐射金属贴片7谐振高于整个LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元中心频率的频点，使上层辐射金属贴片4谐振低于LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元中心频率的频点；切角尺寸要使单点馈电方形贴片产生的幅度相等的两个正交简并模形成90°的相位差；同时下层贴片切角大小要大于上层贴片切角大小，以确保天线在更宽的频带内实现圆极化；另外，辐射金属贴片的一组对边上开设矩形缝隙，通过调节矩形缝隙的长宽可增加天线的阻抗带宽。
本发明的优点与有益效果如下：
1.该天线的主要特点之一是采用单馈电，利用方形贴片切对角实现圆极化的形式，从而使其结构简单，方便其加工。
2.该天线采用在金属辐射贴片对边开矩形缝隙的形式，利用缝隙微扰法使天线的频率带宽得到大大提升，同时还使天线的轴比得到优化，大大降低了对贴片切角的加工精度要求。
3.该双层天线采用不同的切角大小和基板厚度，使天线的轴比带宽有很大的提升。
4.该天线充分利用了LTCC技术的优点，对不同叠层之间进行紧密无间隙结合，使其形成了致密的一体化结构，不仅提高了天线的加工精度，使其稳定性和可靠性得到大大提升，同时还使天线整体更易于与天线后端的T/R控制组件进行集成。
综上，本发明相对于常规基于有机介质或陶瓷基板的微带贴片阵列天线，不仅在相同阵元数目限制下尺寸更小、圆极化性能更好，而且其频率带宽也更宽，此外，天线的结构也使其更易于加工。
附图说明
图1是本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元的结构展开示意图。
图2是本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元上层辐射金属贴片结构示意图。
图3是本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元下层辐射金属贴片结构示意图。
图4为本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线工作频率与反射损耗S11之间的关系曲线。
图5为本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线工作频率与轴比AR之间的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例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。
本实施例提供的一种LTCC双层单馈电圆极化微带贴片阵列天线单元，其结构如图1所示，包括：
上层LTCC基板1，如图2所示：该基板采用11张厚度为0.1mm，介电常数为5.9的LTCC流延膜片叠压而成，基板横向尺寸为15mm，纵向尺寸为15mm；基板上表面采用银浆印刷有1个辐射金属贴片，辐射金属贴片位于上层基板中心位置，边长为4.6mm；在辐射金属贴片的对角上进行切角以实现圆极化，切角为边长0.61mm的等腰直角三角形，在对边上开有长为0.9mm，宽为0.1mm的矩形缝隙；
下层LTCC基板2，如图3所示：该基板采用14张厚度为0.1mm，介电常数为5.9的LTCC流延膜片叠压而成，基板尺寸与上层基板1完全相同；基板上表面采用银浆印刷有1个辐射金属贴片和馈电部分5；下层辐射金属贴片位于下层基板中心位置，边长为5mm；带状线9的长度为介质中传播波长的1/4倍；1/4波长变换段9位于下层辐射金属贴片7未切角前的底边几何中心位置，不同尺寸的带状传输线连接时，其连接边的几何中心重合；馈电部分5的宽度经过优化确保其1/4波长变换段9的阻抗为50欧姆，带状线8的阻抗为50欧姆；
接地金属层3：接地金属层3位于下层LTCC基板2的下表面，其尺寸与下表面LTCC基板完全相同。
本实施例提供的微带贴片阵列天线的中心频点是10GHz，如图4所示，本发明可在2.5mm的剖面厚度内，实现阻抗带宽达到2.3GHz；如图5所示，实现天线的轴比小于3dB的带宽可达到1.5GHz。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元，包括：上层LTCC基板(1)、下层LTCC基板(2)、上层辐射金属贴片(4)、馈电网络(5)、下层辐射金属贴片(7)、馈电端口(6)和接地金属层(3)，其中，接地金属层(3)位于下层LTCC基板(2)的下表面，下层辐射金属贴片(7)与馈电网络(5)设于下层LTCC基板(2)的上表面，上层辐射金属贴片(4)位于上层LTCC基板(1)的上表面，馈电端口(6)开设于下层LTCC基板(2)上相应位置并与馈电网络(5)相连；其特征在于，所述下层LTCC基板(2)的厚度大于上层LTCC基板(1)的厚度；所述上层辐射金属贴片(4)与下层辐射金属贴片(7)形状相同，均为加切角的正方形、且一组对边上开设有矩形缝隙；所述上层辐射金属贴片(4)与下层辐射金属贴片(7)尺寸不同，其中，下层辐射金属贴片(7)谐振频点高于整个LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元中心频率、上层辐射金属贴片(4)谐振频点低于LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元中心频率；所述下层辐射金属贴片的切角尺寸大于上层辐射金属贴片切角尺寸，且上、下辐射金属贴片的切角尺寸使单点馈电方形贴片产生幅度相等的两个正交简并模形成90°相位差。
2.按权利要求1所述LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元，其特征在于，所述上、下层辐射金属贴片距离LTCC基板的对应边缘距离要大于1/4中心频率处的真空波长。
3.按权利要求1所述LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元，其特征在于，所述馈电网络采用四分之一波长变换段与特性阻抗为50欧的微带线相连接。
4.按权利要求1所述LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元，其特征在于，所述上、下层LTCC基板所采用的LTCC陶瓷材料的相对介电常数在2～200之间。
5.按权利要求1所述LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元，其特征在于，所述馈电网络、上、下层辐射金属贴片以及接地金属层均采用银浆印刷于相应LTCC基板表面；整个LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线单元经流延、打孔、印刷、叠层、等静压、切割和烧结后成型。
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