一種新型ltcc疊層圓極化微帶天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型LTCC疊層圓極化微帶天線，克服現(xiàn)有微帶貼片天線在難以兼顧高增益、寬頻帶、圓極化以及小型化多方面性能的缺陷。該新型微帶天線基于LTCC技術(shù)，增加了耦合貼片的數(shù)量，優(yōu)化了現(xiàn)有的一個(gè)激勵(lì)貼片對(duì)應(yīng)一個(gè)耦合貼片的傳統(tǒng)模式，有效提高微帶天線增益，天線單元增益較傳統(tǒng)天線單元增益提高了50％以上，中心頻率處輻射效率在90％以上，在很寬的頻帶內(nèi)具有高增益、高輻射效率，并且天線具有較好的圓極化特性，能夠更好地兼顧微帶貼片天線高增益、寬頻帶以及圓極化的性能要求。在要求一定的增益時(shí)，利用該天線單元組陣相比傳統(tǒng)天線單元有效的減小了天線陣列的面積，實(shí)現(xiàn)高增益天線的小型化設(shè)計(jì)。
【專利說(shuō)明】
—種新型LTCC疊層圓極化微帶天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種LTCC疊層高增益寬帶圓極化微帶天線。

【背景技術(shù)】
[0002]微帶貼片天線具有體積小、重量輕、剖面薄和易于與載體共形的優(yōu)點(diǎn)，在近些年被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)彈測(cè)控、武器引信、電子對(duì)抗、移動(dòng)通信、遙感遙測(cè)等領(lǐng)域。在機(jī)載或彈載應(yīng)用的時(shí)候，對(duì)微帶貼片天線尤其強(qiáng)調(diào)其高增益、寬頻帶和圓極化的性能要求。但現(xiàn)有的微帶天線單元增益一般為4-6dBi左右，要獲取更大的增益需要組成更大的天線整列，但這種方式是以增大天線的面積為代價(jià)的，不利于微帶貼片天線與載體的共形設(shè)計(jì)以及小型化的發(fā)展需求，使得天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者無(wú)法實(shí)現(xiàn)圓極化，另外空氣層的存在也減小了天線本身的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)于圓極化陣列天線也往往無(wú)法兼顧圓極化和增益特性。
[0003]近年來(lái)LTCC(低溫共燒陶瓷)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為開發(fā)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。LTCC技術(shù)多層化過(guò)程中采用了流延和通孔技術(shù)，除了方便于加工生產(chǎn)以外，還可提供比常規(guī)基板材料更好的層厚控制，得到嵌入元素值上更緊的公差，因而有望為開發(fā)新型的低剖面、寬頻化以及低軸比的微帶貼片天線創(chuàng)造條件。LTCC技術(shù)由于其應(yīng)用在高度集成的生產(chǎn)，復(fù)雜的多層射頻(RF)和集成天線模塊而越來(lái)越受歡迎。這種技術(shù)具有成熟的多層制造能力和優(yōu)良的射頻性能。LTCC工藝的疊層優(yōu)勢(shì)改變了傳統(tǒng)微帶天線的設(shè)計(jì)模式，將LTCC工藝與微帶天線的結(jié)合成為新的研究熱點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種新型LTCC疊層圓極化微帶天線，該微帶天線優(yōu)化天線單元結(jié)構(gòu)，提高微帶天線單元的增益，從而使天線實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，克服現(xiàn)有微帶貼片天線在難以兼顧高增益、寬頻帶、圓極化以及小型化多方面性能的缺陷。該新型微帶天線基于LTCC技術(shù)，增加了耦合貼片的數(shù)量，優(yōu)化了現(xiàn)有的一個(gè)激勵(lì)貼片對(duì)應(yīng)一個(gè)耦合貼片的傳統(tǒng)模式，有效提高微帶天線增益，天線單元增益較傳統(tǒng)天線單元增益提高了 50%以上，中心頻率處輻射效率在90%以上，在很寬的頻帶內(nèi)具有高增益、高輻射效率，并且天線具有較好的圓極化特性，能夠更好地兼顧微帶貼片天線高增益、寬頻帶以及圓極化的性能要求。在要求一定的增益時(shí)，利用該天線單元組陣相比傳統(tǒng)天線單元有效的減小了天線陣列的面積，實(shí)現(xiàn)高增益天線的小型化設(shè)計(jì)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種新型LTCC疊層圓極化微帶天線，包括從下往上依次設(shè)置的接地金屬層、下層介質(zhì)基板、下層輻射金屬貼片天線、上層介質(zhì)基板、上層輻射金屬貼片天線，所述上層輻射金屬貼片天線、下層輻射金屬貼片天線與接地金屬層相互平行設(shè)置；其特征在于，所述下層輻射金屬貼片天線由呈2X2陣列分布的四個(gè)下層耦合貼片及設(shè)置于四個(gè)下層耦合貼片中心的主貼片構(gòu)成，所述上層輻射金屬貼片天線由四個(gè)與下層耦合貼片相對(duì)應(yīng)的上層耦合貼片構(gòu)成；所述主貼片及上、下層耦合貼片均為加切角的正方形，上、下層耦合貼片均以主貼片為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)90°、所有金屬貼片在同一方向的一組對(duì)邊中線處均開設(shè)有尺寸相同的矩形縫隙。
[0007]進(jìn)一步的，所述上、下層耦合貼片尺寸相同、均小于主帖片尺寸O?0.5mm。
[0008]進(jìn)一步的，所述主帖片邊長(zhǎng)為i = i^r2M其中c為在真空中的光速，f為中心頻率，L為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，Λ L是受邊緣場(chǎng)影響產(chǎn)生的邊沿延伸量。
[0009]進(jìn)一步的，所述主帖片與耦合貼片的切角尺寸均根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算:I as/s|qq =
0.5，其中AS為切角面積，S為貼片面積，Q0為天線的品質(zhì)因數(shù)。
[0010]優(yōu)選的，所述下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板所采用LTCC陶瓷材料的相對(duì)介電常數(shù)為2?100。
[0011]所述下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板采用LTCC流延陶瓷膜片疊片而成，上層輻射金屬貼片天線和下層輻射金屬貼片天線采用銀漿印刷于相應(yīng)介質(zhì)基板表面，整個(gè)LTCC疊層圓極化微帶天線經(jīng)流延、印刷、疊片、打孔、填銀、等靜壓和燒結(jié)工藝后形成。
[0012]需要說(shuō)明的是:
[0013]1、本發(fā)明新型微帶天線由上、下兩層輻射金屬貼片天線構(gòu)成，四個(gè)上層金屬貼片和四個(gè)下層金屬貼片作為主貼片的耦合貼片，上、下層各四個(gè)耦合貼片和一個(gè)主帖片構(gòu)成一個(gè)天線單元，該結(jié)構(gòu)有效提高天線增益，同時(shí)調(diào)整耦合貼片間的間距，調(diào)節(jié)帶寬達(dá)到相應(yīng)工作指標(biāo)。
[0014]2、耦合貼片以主貼片為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)90°，能夠提高天線的圓極化性能和阻抗頻帶帶寬。
[0015]3、主貼片的尺寸先根據(jù)理論公式估算:
[0016]貼片寬度:$ =.會(huì)產(chǎn)聲.2貼片長(zhǎng)度:1 = 2f4^'2hL其中c為在真空中的光速，f為中心頻率，ε ^為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，Λ L是受邊緣場(chǎng)影響產(chǎn)生的邊沿延伸，
需要減去，AL用下面兩個(gè)公式計(jì)算出，^為有效介電常數(shù):
rnm7l — Α--1;12/γ,?2 AL^Qil2(ee+03W/h + 0M4)
_ ]2 2 W‘0.258)(,/Α + 0.8)。、中，為；| 反基板厚度。
[0018]本發(fā)明采用正方形貼片，即貼片長(zhǎng)和寬均取估算的L值，在實(shí)際應(yīng)用中，估算后的貼片尺寸應(yīng)用Ansoft HFSS對(duì)主貼片尺寸進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)使得整個(gè)LTCC疊層圓極化微帶陣列天線的中心頻率點(diǎn)和帶寬達(dá)到指標(biāo)，本文采用多層耦合圓極化單元結(jié)構(gòu)，附加寄生貼片以拓展天線阻抗帶寬和圓極化帶寬，主貼片面積略大于耦合貼片，主帖片和耦合貼片邊長(zhǎng)的差值在0-0.5mm之間進(jìn)行優(yōu)化，主貼片作為激勵(lì)單元，諧振在高頻端，耦合貼片作為寄生單元，諧振在低頻段，當(dāng)兩者諧振頻率適當(dāng)接近時(shí)，便形成阻抗頻帶和圓極化頻帶適當(dāng)展寬的雙峰結(jié)構(gòu)，增加了頻帶寬度。
[0019]4、在實(shí)際應(yīng)用中，主帖片與耦合貼片的切角尺寸根據(jù)公式估算后采用AnsoftHFSS對(duì)切角尺寸進(jìn)行優(yōu)化適當(dāng)調(diào)節(jié)，以確保天線軸比達(dá)到指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)圓極化。金屬貼片對(duì)邊開設(shè)的矩形縫隙的尺寸應(yīng)根據(jù)材料不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，在一定程度上有效減小天線面積。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下:1)本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是通過(guò)LTCC印刷工藝，可以將多層微帶天線結(jié)構(gòu)緊密而精確地疊加在一起，可以提高天線的精度并縮小天線的尺寸；2)本發(fā)明為雙層輻射金屬貼片天線，采用分散式設(shè)計(jì)，上層四個(gè)金屬貼片和下層對(duì)應(yīng)四個(gè)金屬貼片為一組作為主貼片的耦合貼片，避免的傳統(tǒng)的一個(gè)激勵(lì)貼片對(duì)應(yīng)一個(gè)耦合貼片的模式，天線增益相比傳統(tǒng)的單元微帶天線可以提高50%以上，有利于減小了天線尺寸；3)耦合貼片以主貼片為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)90°，提高了天線的圓極化性能，并且增加了天線的阻抗頻帶帶寬；4)采取兩層分別高于整個(gè)天線中心頻率和低于整個(gè)天線中心頻率的輻射金屬貼片天線，使其輻射帶寬相互疊加，從而有效拓展整個(gè)天線的帶寬；5)通過(guò)在輻射金屬貼片增加切角，可很好的實(shí)現(xiàn)圓極化；6)通過(guò)在輻射金屬貼片兩邊添加縫隙，有效減小了天線的面積。此外，本發(fā)明微帶天線充分利用了 LTCC先進(jìn)的疊層和層厚控制技術(shù)，保證了不同疊層之間的緊密無(wú)間隙結(jié)合，形成致密的一體化結(jié)構(gòu)，提高了天線的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明相對(duì)于常規(guī)基于有機(jī)介質(zhì)或陶瓷基板的微帶貼片天線，不僅可在相同尺寸限制下獲得更寬的天線帶寬，同時(shí)天線的圓極化性能更好，并且可以獲得很高的增益。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明LTCC疊層圓極化微帶天線的結(jié)構(gòu)展開示意圖，其中，I為上層輻射金屬貼片天線、2為下層輻射金屬貼片天線、3為上層介質(zhì)基板、4為下層介質(zhì)基板、5為仿真端口、6為微帶線、7為接地金屬層、10為上、下層耦合貼片、11為主帖片。
[0022]圖2是本發(fā)明LTCC疊層圓極化微帶天線的頂面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明LTCC疊層圓極化微帶天線的下層結(jié)構(gòu)示意圖，其中，8為切角、9為矩形縫隙。
[0024]圖4為本發(fā)明LTCC疊層圓極化微帶天線在1GHz處增益與角度之間的關(guān)系曲線圖。
[0025]圖5為本發(fā)明LTCC疊層圓極化微帶天線峰值增益與頻率之間的關(guān)系曲線圖。
[0026]圖6為本發(fā)明LTCC疊層圓極化微帶天線輻射效率與頻率之間的關(guān)系曲線圖。
[0027]圖7為本發(fā)明LTCC疊層圓極化微帶天線在1GHz處軸比與角度之間的關(guān)系曲線圖。
[0028]圖8為本發(fā)明LTCC疊層圓極化微帶天線工作頻率與反射損耗Sll之間的關(guān)系曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于該實(shí)施例。
[0030]本實(shí)施例提供的新型LTCC疊層圓極化微帶天線，其結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示，其中心頻點(diǎn)為10GHz，為微帶貼片收發(fā)公用天線，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)阻抗帶寬超過(guò)600MHz的微帶貼片天線，天線增益可達(dá)到8.01dBi，相比傳統(tǒng)的微帶貼片增益提高了 50%以上，在
9.23-10.37GHz的寬頻帶內(nèi)增益均在7.5dBi以上，且天線的軸比最小可達(dá)到0.20dB,在1GHz出軸比為2.44dB，具有很好的圓極化特性。除此之外，天線也具有很高的輻射效率，在1GHz處天線效率達(dá)到95%，且在8.24-10.57GHz的頻帶內(nèi)天線增益均達(dá)到90%以上。天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在一定程度上簡(jiǎn)化了組陣后的饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并減小了天線的面積，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)，增益得到了較大程度的提高，且具有較好的阻抗匹配和圓極化特性。
[0031]新型LTCC疊層圓極化微帶天線，包括從下往上依次設(shè)置的接地金屬層、下層介質(zhì)基板、下層輻射金屬貼片天線、上層介質(zhì)基板、上層輻射金屬貼片天線，所述上層輻射金屬貼片天線、下層輻射金屬貼片天線與接地金屬層相互平行設(shè)置；其特征在于，所述下層輻射金屬貼片天線由呈2X2陣列分布的四個(gè)下層耦合貼片及設(shè)置于四個(gè)下層耦合貼片中心的主貼片構(gòu)成，主貼片通過(guò)微帶線與仿真端口連接導(dǎo)通，所述上層輻射金屬貼片天線由四個(gè)與下層耦合貼片相對(duì)應(yīng)的上層耦合貼片構(gòu)成；所述主貼片及上、下層耦合貼片均為加切角的正方形，上、下層耦合貼片均以主貼片為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)90°、所有金屬貼片在同一方向的一組對(duì)邊中線處均開設(shè)有尺寸相同的矩形縫隙。
[0032]下層介質(zhì)基板采用9張厚度為0.1mm，介電常數(shù)為5.9的LTCC流延膜片疊片而成，基板下表面采用銀漿印刷接地金屬層；基板上表面印刷下層輻射金屬貼片天線和微帶線，微帶線的線寬經(jīng)過(guò)優(yōu)化確保匹配到端口阻抗為50歐姆，并且使各項(xiàng)性能達(dá)到要求指標(biāo)。
[0033]上層介質(zhì)基板采用9張厚度為0.1mm，介電常數(shù)為5.9的LTCC流延膜片疊片而成?；迳媳砻嬗∷⑸蠈虞椛浣饘儋N片天線。
[0034]上層福射金屬貼片天線的金屬貼片為邊長(zhǎng)為4.96mm的正方形、切角為1.4mm,下層輻射金屬貼片天線的金屬貼片為邊長(zhǎng)為4.98mm的正方形、切角為0.84mm，所有貼片開設(shè)的矩形縫隙的長(zhǎng)為1mm，寬為0.2mm,稱合貼片間距4.5mm。
【權(quán)利要求】
1.一種新型LTCC疊層圓極化微帶天線，包括從下往上依次設(shè)置的接地金屬層、下層介質(zhì)基板、下層輻射金屬貼片天線、上層介質(zhì)基板、上層輻射金屬貼片天線，所述上層輻射金屬貼片天線、下層輻射金屬貼片天線與接地金屬層相互平行設(shè)置；其特征在于，所述下層輻射金屬貼片天線由呈2X2陣列分布的四個(gè)下層耦合貼片及設(shè)置于四個(gè)下層耦合貼片中心的主貼片構(gòu)成，所述上層輻射金屬貼片天線由四個(gè)與下層耦合貼片相對(duì)應(yīng)的上層耦合貼片構(gòu)成；所述主貼片及上、下層耦合貼片均為加切角的正方形，上、下層耦合貼片均以主貼片為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)90°、所有金屬貼片在同一方向的一組對(duì)邊中線處均開設(shè)有尺寸相同的矩形縫隙。
2.按權(quán)利要求1所述新型LTCC疊層圓極化微帶天線，其特征在于，所述上、下層耦合貼片尺寸相同、均小于主帖片尺寸O?0.5mm。
3.按權(quán)利要求1所述新型LTCC疊層圓極化微帶天線，其特征在于，所述主帖片邊長(zhǎng)為:Ι = 2/^Γ'2Δ￡其中c為在真空中的光速，f為中心頻率，ε r為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，ΔL是受邊緣場(chǎng)影響產(chǎn)生的邊沿延伸量。
4.按權(quán)利要求1所述新型LTCC疊層圓極化微帶天線，其特征在于，所述主帖片與耦合貼片的切角尺寸均根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算:I AS/S|Q0 = 0.5，其中AS為切角面積，S為貼片面積，Qtl為天線的品質(zhì)因數(shù)。
5.按權(quán)利要求1所述新型LTCC疊層圓極化微帶天線，其特征在于，所述下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板所采用LTCC陶瓷材料的相對(duì)介電常數(shù)為2?100。
6.按權(quán)利要求1所述新型LTCC疊層圓極化微帶天線，其特征在于，所述下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板采用LTCC流延陶瓷膜片疊片而成，上層輻射金屬貼片天線和下層輻射金屬貼片天線采用銀漿印刷于相應(yīng)介質(zhì)基板表面，整個(gè)LTCC疊層圓極化微帶天線經(jīng)流延、印刷、疊片、打孔、填銀、等靜壓和燒結(jié)工藝后形成。
【文檔編號(hào)】H01Q1/36GK104201480SQ201410338832
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】張懷武, 郝欣欣, 王明, 張東明, 蘇樺, 楊青慧 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)