CN111697336A

CN111697336A - 一种ltcc滤波介质谐振天线

Info

Publication number: CN111697336A
Application number: CN202010405204.9A
Authority: CN
Inventors: 张祥军; 魏泽华; 陈小二
Original assignee: Suqian Boxiang Education Technology Co ltd
Current assignee: Suqian Boxiang Education Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2020-09-22

Abstract

本发明公开了一种LTCC滤波介质谐振天线，该天线包括低温共烧陶瓷基板和介质谐振器，所述低温共烧陶瓷基板采用三层基板，其中，基于LTCC基片集成波导谐振腔功分器位于最底层；所述介质谐振器为2×2阵列天线，且介质谐振器固定设于低温共烧陶瓷基板的顶部；所述低温共烧陶瓷基板的εr＝5.9，损耗切线为0.0023；所述低温共烧陶瓷基板的三层腔由下至上的厚度依次为h1＝0.58mm、h2＝0.19mm、h3＝0.38mm，且所述低温共烧陶瓷基板的金属层厚度为10um。该滤波介质谐振天线充分利用LTCC三维集成技术，有效减小尺寸，整体尺寸为：本天线12mm 12mm 2.4mm,适合在5G无线通信系统中应用及透射、反射天线阵的馈源。

Description

一种LTCC滤波介质谐振天线

技术领域

本发明涉及一种天线的技术领域，具体的涉及一种LTCC滤波介质谐振天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展及通讯系统的要求，高增益天线引起了研究人员的兴趣。20世纪80年代，美国休斯顿大学的研究人员发表了第一篇关于介质谐振天线的文章，这使得介质谐振器成为了天线设计的一种可选方案。介质谐振器与金属波导结构的谐振腔原理相似，故根据谐振腔的基本理论可知，在金属波导谐振腔的电壁上，电场的切向分量和磁场的法相分量均为零，入射到电壁上的电磁波将会被完全反射回来，所以当用电壁构成一个封闭的腔体时，当有适当频率的电磁波入射到腔体中时，电磁波将会在腔体的电壁上来回反射，这就会产生电磁谐振。介质谐振器便可以作为天线进行工作。不同于微带天线使用金属材料，介质谐振天线是使用介质谐振器向外辐射能量，其一般选择低损耗的微波介质材料，谐振频率与谐振器的尺寸、相对介电常数、谐振器形状以及谐振模式等参数有关。LTCC技术因其可以实现平面结构的三维集成也引起研究者的注意，目前主要是应用在射频无源元件设计中。

但现有技术中，要么天线尺寸比较大，要么制作工艺复杂，且若馈电天线和反射波在同一侧，天线的性能会受到影响。

为此，针对上述所述弊端，针对于透射阵列天线，设计一个小尺寸的馈电结构是至关重要，它可以减小对透射阵列天线性能的影响，并可同时解决上述存在的问题，成为了目前技术人员的创新设计理念。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于：提供一种LTCC滤波介质谐振天线，该天线的辐射介质单元采用低温共烧陶瓷基板集成波导(SIW)多层介质功分器馈电，由于是在多层介质上制作的，所述适配天线阵的尺寸相对较小，使其适合作为透射阵列的馈电；应用于透射阵列天线中，不但覆盖范围广，对天线的辐射能量有明显的收敛作用，而且可使天线的方向性大大增强，有效地抑制旁瓣能量，大大的提高峰值增益；该天线结构简单、制作过程简易，成本低，适合在5G无线通信系统中应用。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种LTCC滤波介质谐振天线，该天线包括低温共烧陶瓷基板和介质谐振器，所述低温共烧陶瓷基板采用三层基板，其中，基片集成波导谐振腔位于最底层；所述介质谐振器为2×2阵列设置，且介质谐振器固定设于低温共烧陶瓷基板的顶部。

本发明还存在以下技术特征：

所述低温共烧陶瓷基板的εr＝5.9，损耗切线为0.0023。

所述低温共烧陶瓷基板的三层腔由下至上的厚度依次为h1＝0.58mm、h2＝0.19mm、h3＝0.38mm，且所述低温共烧陶瓷基板的金属层厚度为10um。

所述低温共烧陶瓷基板内部相邻腔之间的介质谐振腔由下至上依次为介质谐振腔A、介质谐振腔B、介质谐振腔C和介质谐振腔D，其中，所述介质谐振腔A上的尺寸为：L2＝2.66mm、L3＝3.35mm、W2＝8.2mm、W3＝0.5mm、r1＝0.09mm。

所述介质谐振腔B上的尺寸为：W4＝1.05mm、W5＝1.48mm、W6＝1.52mm、P＝0.5mm、r2＝0.3mm。

所述介质谐振腔C上的尺寸为：W1＝10mm、W7＝0.8mm、L4＝5.6mm、L5＝2.1mm。

所述介质谐振腔D上的尺寸为：L1＝12mm、L6＝3.9mm、L7＝3.05mm、r3＝1.25mm。

所述基片集成波导谐振腔顶壁上设有金属通孔A，且所述金属通孔A设于临近腔体侧壁边缘。

低温共烧陶瓷基板顶层腔顶壁的微带线周围环绕设置一圈金属通孔B阵列。

所述介质谐振器的介质材料的相对介电常数为10.2，高度为1.25mm。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、该LTCC滤波介质谐振天线，滤波天线作为馈电结构，位于梯度相超材料表面构造的正下方，作为超材料表面透射阵列的馈电天线，增加了现有滤波天线的增益幅度。

2、虽然通带中的S11变得稍微大了一些，但仍然小于-10dB，天线的通带几乎不受影响。

3、天线的指向性显著的提高，有效地抑制了天线的旁瓣，降低了电磁波散射引起的衰减；经具有梯度相位特性的超材料，在滤波天线的通带内可以产生明显的波束聚焦效应，从而大大提高了原滤波天线的增益。

该LTCC滤波介质谐振天线，实质为一种小尺寸滤波介质谐振天线阵列天线，此LTCC阵列天线阵列适合在5G无线通信系统终端或作为反射阵或透射阵天线的馈源。该天线结构简单、制作过程简易、成本低等优点，便于推广实施。

附图说明

图1为本发明滤波天线的三维结构示意图。

图2为本发明滤波介质谐振天线的拓扑结构示意图。

图3为本发明SIW腔的电场分布结构示意图。

图4为本发明滤波天线的回波损耗仿真结果示意图。

图5为本发明滤波天线的增益仿真结果示意图。

图6为本发明滤波天线在28GHz处的二维方向图。

其中：1-介质层，2-金属层，21-中心区域，22-外围框架，3-低温共烧陶瓷基板(LTCC)，31-基片集成波导谐振腔(SIW)，32-金属通孔A，33-金属通孔B，4-介质谐振器。

具体实施方式

参照图1至6所示，对该种LTCC滤波介质谐振天线的结构特征详述如下：

如图1所示，一种LTCC滤波介质天线，该天线包括低温共烧陶瓷基板(LTCC)3和介质谐振器4，所述低温共烧陶瓷基板(LTCC)3采用三层基板，其中，基片集成波导谐振腔(SIW)31位于最底层；所述介质谐振器4为四个圆柱形介质谐振器组成的2×2阵列天线设置，且介质谐振器4固定设于低温共烧陶瓷基板(LTCC)3的顶部。与平面布置的SIW腔相比，该LTCC滤波介质天线体积大大减小。

其中，中间的空腔在主导模式TE101下工作，空腔的左右两边在高阶模式TE102下工作；该天线的基片集成波导谐振腔(SIW)31位于最底层，通过共面波导结构馈电，在不同的谐振腔之间可以形成交叉耦合结构，从而产生传输零点(TZs)。

辐射单元由四个介质谐振器4组成，这个2 2阵列具有较高天线的增益和指向性；为了有效避免寄生辐射，正确控制DR与SIW谐振腔之间的耦合系数，DRs由探针供电，探针放置在谐振器的一角。

所述基片集成波导谐振腔(SIW)31顶壁上设有金属通孔A32，且所述金属通孔A32设于临近腔体侧壁边缘。

低温共烧陶瓷基板(LTCC)3顶层腔顶壁的微带线周围环绕设置一圈金属通孔B33阵列。

图2所示为该滤波介质谐振天线的拓扑结构，图3为SIW腔的电场分布结构示意图，可以看作是由两部分组成：SIW谐振器滤波器部分和介质谐振器辐射元件部分。滤波器部分由四个SIW谐振器(R1-R4)组成，四个谐振腔之间的耦合是通过腔之间的金属通孔上的感应窗实现的。而交叉耦合是引入TZs的重要因素。信号通过不同的分支，每个支路使信号产生不同的相位变化，形成180°或其整倍相位差，相互抵消，形成TZ。谐振器R1和R2工作在TE101模式，谐振器R3和R4工作在TE102模式。

具体的，所述低温共烧陶瓷基板(LTCC)3的εr＝5.9，损耗切线为0.0023；

所述低温共烧陶瓷基板(LTCC)3的三层腔由下至上的厚度依次为h1＝0.58mm、h2＝0.19mm、h3＝0.38mm，且所述低温共烧陶瓷基板(LTCC)3的金属层厚度为10um。

所述低温共烧陶瓷基板(LTCC)3内部相邻腔之间的介质谐振腔由下至上依次为介质谐振腔A、介质谐振腔B、介质谐振腔C和介质谐振腔D，其中，所述介质谐振腔A上的尺寸为：L2＝2.66mm、L3＝3.35mm、W2＝8.2mm、W3＝0.5mm、r1＝0.09mm；

所述介质谐振腔B上的尺寸为：W4＝1.05mm、W5＝1.48mm、W6＝1.52mm、P＝0.5mm、r2＝0.3mm；

所述介质谐振腔C上的尺寸为：W1＝10mm、W7＝0.8mm、L4＝5.6mm、L5＝2.1mm；

天线阵的回波损耗和增益仿真结果分别如图4和图5所示。如图4所示，滤波天线的紧凑型模块寄生参数在24.0GHz左右存在额外的谐振，当天线处于通频带外时，额外的谐振对天线的性能影响不大。如图6所示为滤波天线在28GHz处的方向图，包括E面和H面，实现交叉极化、和共极化。

具体的，所述介质谐振器4的介质材料的相对介电常数为10.2，高度为1.25mm。

本发明提供一种LTCC滤波介质谐振天线，其适用于5G的高增益透射阵列天线，实现了一种小尺寸滤波介质谐振天线阵列作为透射阵的馈源，通过加载超材料表面，天线的指向性有了很大的提高，有效地抑制了天线的旁瓣，显著提高天线增益，小尺寸LTCC和超薄厚度的透射阵使得本透射阵列天线阵列适合在5G无线通信系统中应用。

于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：该天线包括低温共烧陶瓷基板和介质谐振器，所述低温共烧陶瓷基板采用三层基板，其中，基片集成波导谐振腔位于最底层；所述介质谐振器为2×2天线阵列，且介质谐振器固定设于低温共烧陶瓷基板的顶部。

2.根据权利要求1所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：所述低温共烧陶瓷基板的εr＝5.9，损耗切线为0.0023。

3.根据权利要求1所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：所述低温共烧陶瓷基板的三层腔由下至上的厚度依次为h1＝0.58mm、h2＝0.19mm、h3＝0.38mm，且所述低温共烧陶瓷基板的金属层厚度为10um。

4.根据权利要求1所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：所述低温共烧陶瓷基板内部相邻腔之间的介质谐振腔由下至上依次为介质谐振腔A、介质谐振腔B、介质谐振腔C和介质谐振腔D，其中，所述介质谐振腔A上的尺寸为：L2＝2.66mm、L3＝3.35mm、W2＝8.2mm、W3＝0.5mm、r1＝0.09mm。

5.根据权利要求4所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：所述介质谐振腔B上的尺寸为：W4＝1.05mm、W5＝1.48mm、W6＝1.52mm、P＝0.5mm、r2＝0.3mm。

6.根据权利要求4或5所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：所述介质谐振腔C上的尺寸为：W1＝10mm、W7＝0.8mm、L4＝5.6mm、L5＝2.1mm。

7.根据权利要求4至6任一项所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：所述介质谐振腔D上的尺寸为：L1＝12mm、L6＝3.9mm、L7＝3.05mm、r3＝1.25mm。

8.根据权利要求1所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：所述基片集成波导谐振腔顶壁上设有金属通孔A，且所述金属通孔A设于临近腔体侧壁边缘。

9.根据权利要求1所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：低温共烧陶瓷基板顶层腔顶壁的微带线周围环绕设置一圈金属通孔B阵列。

10.根据权利要求1所述的一种LTCC滤波介质谐振天线，其特征在于：所述介质谐振器的介质材料的相对介电常数为10.2，高度为1.25mm。