ZST微波陶瓷在貼片天線制作中的應用

吳堅強，郭慧鋒，黃萬波

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

ZST微波陶瓷在貼片天線制作中的應用

吳堅強，郭慧鋒，黃萬波

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

討論圓極化陶瓷貼片天線的研究過程，該天線采用空腔模型方法和同軸線饋電方式設計，利用相對介電常數(shù)38的微波陶瓷制作，從而使貼片天線獲得了中心頻率為1678.13 MHz，帶寬為15 MHz的性能。結果表明該貼片天線能滿足我國“北斗衛(wèi)星導航”接收機的要求。

貼片天線；ZST陶瓷；設計原理；圓極化

0 引 言

近年來，ZST[(Zr0.8Sn0.2)TiO4簡稱為ZST]陶瓷因具有介電常數(shù)εr適中、頻率溫度系數(shù)τf可調和制備工藝易控制的特點，被廣泛用于移動通信[1,2]。目前，已逐步用于我國“北斗”導航通信工程，如導航接收機用貼片天線。該天線除了要求結構緊湊和易于微波集成外，還對其提出具有良好的圓極化、阻抗匹配和溫度穩(wěn)定性等要求。而用εr為21、36和90材料制作的貼片天線仍然存在著溫度穩(wěn)定性不高等不足，解決這一問題的第一步是要制造品質因數(shù)高、介電常數(shù)適中、頻率溫度系數(shù)小的貼片天線陶瓷基板。有效方法之一是提高材料Q值，同時研究陶瓷基板在貼片天線上的應用。

本文著重分析了ZST系微波陶瓷的成型壓力對陶瓷基板密度的影響。研究了陶瓷基板被銀尺寸對貼片天線中心頻率的影響，還討論了陶瓷基板厚度對貼片天線帶寬和阻抗的影響。用干壓成型工藝制作了中心頻率在1650～1750 MHz范圍的圓極化陶瓷貼片天線，期望得到電性能滿足設計要求貼片天線。

1 實驗過程與方法

1.1 方案的確定

本實驗研究的是外形尺寸為邊長18 mm厚度4 mm獨塊狀陶瓷貼片天線，其主要技術要求如表1.1所示。選用ZST材料和干壓成型方法制作貼片天線陶瓷基板。

1.2 設計原理與結構

根據(jù)天線設計要求，其厚度為4 mm，遠小于諧振波波長，滿足空腔模型理論條件，故采用空腔模型法。再結合設計要求，接收的是衛(wèi)星圓極化技術發(fā)射的信號，并且只有一個頻率，其結構緊湊、易于貼片、外形為正方形；故采用單饋點圓極化技術，同軸線饋電。

表1.1 貼片天線主要技術要求Tab.1 .1 The main performance requirements of patch antenna

根據(jù)腔模理論，陶瓷貼片邊長a和厚度h服從公式[3]：

式中，c為光速；εr為介質基片相對介電常數(shù)；for為未微擾天線諧振頻率；fu為貼片天線最高工作頻率；h為貼片天線厚度。

當選用陶瓷材料介電常數(shù)εr為38，天線外形尺寸為正方形時，根據(jù)設計要求即陶瓷基板尺寸為18×18×4 mm；底部銀面積18×18 mm；通過計算，確定貼片邊長即頂部銀面積14.8×14.8 mm。使用50 Ω的標準阻抗時，單饋點圓極化貼片天線饋電點位置為對角線中心向上邊長偏離1.5 mm，探針直徑：1.5 mm。其結構如圖1所示。

為實現(xiàn)圓極化，在正方形貼片對角線上像波導拐彎那樣切掉一個45°的角，出現(xiàn)了兩個分離單元ΔS，這兩個分離單元使得饋電場形成兩個空間正交簡并模的諧振頻率發(fā)生分離，分離的大小決定于ΔS/S(即S =a2)。而這兩個模必須達到幅值相等、相位相差90°。其中相等幅值可以通過適當選擇饋電位置實現(xiàn)，如饋電點選擇在位于切角貼片的中心線。90°相移的產生有兩個因素，一個是饋電點位置，另一個是分離單元的尺寸。由于貼片天線激勵?？梢缘刃橐粋€并聯(lián)的LCR電路，用變分理論，通過積分求出k值，由k值可以找出模的諧振頻率。再由圓極化條件，確定貼片天線Q值與微擾尺寸的關系，最后確定分離單元的尺寸[4]。

圖1 矩形貼片天線結構圖Fig.1 The structure diagram of rectangular patch antenna

1.3 實驗瓷料

2.3 兩組患者圍手術期并發(fā)癥發(fā)生率比較 觀察組圍手術期總并發(fā)癥發(fā)生率顯著低于對照組，差異有統(tǒng)計學意義(χ2=4.659，P=0.031)。觀察組隨訪2年，未見網片侵蝕、感染現(xiàn)象發(fā)生。見表3。

以分析純ZrO2、SnO2和化學純TiO2為原材料，按化學式(Zr0.8Sn0.2)TiO4，添加ZnO進行配料，材料性能滿足εr為38，Q×f值為35000 GHz，τf為-2×10-6/℃。

1.4 實驗工藝流程

1.4.1 天線基板制備

瓷料→加黏合劑→成型→燒成。

1.4.2 天線制備

被銀、燒銀→焊引線→測量、調試。

1.4.3 實驗設備與儀器

用769YP-15A粉末壓片機和1400 ℃窯爐分別對瓷料成型和燒結；用E5071B型Agilent Technogies矢量網絡分析儀分別測量了樣品的εr、τf、Q和貼片天線微波性能；用Archimedes法測量樣品體積密度ρV。

2 結果與討論

2.1 成型壓力對瓷件密度的影響

干壓成型后坯體在1300 ℃下燒結，坯體的成型壓力、瓷件線收縮率和密度之間的關系如表1.2所示。從表1.2可知，成型壓力為9 MPa，瓷件線收縮率為20%，密度高，是較好的成型壓力。

2.2 銀電極尺寸大小對中心頻率的影響

貼片天線實驗結果如表1.3所示。

由表1.3所示可知：1#、2#、3#天線中心頻率由1758.1 MHz下降到1602.3 MHz，即貼片天線中心頻率隨鍍銀尺寸的增大而減小。這是因為矩形微帶天線的中心頻率是由微帶天線的長度和寬度(圖1中頂部的尺寸)決定的，從式(1)可以看出：矩形圖形天線工作時，它的貼片邊長鍍銀尺寸決定諧振頻率。貼片邊長鍍銀尺寸越小，中心頻率越高。

2.3 貼片天線厚度對帶寬、阻抗的影響

由表1.3所示可知：1#、2# 、3#和4#、5# 、6#厚度不同，天線帶寬和阻抗不同。厚度由4 mm增加到4.8 mm,天線的帶寬平均值13.5 MHz增大為14.5 MHz。即天線厚度越大，帶寬越大，這可以從式(2)得到證實。當厚度由4 mm增加到4.8 mm，天線的阻抗由平均值由45 Ω增大至49.5 Ω可知：厚度越小，兩諧振點之間的距離越大，阻抗越小；而厚度越大，則兩諧振點之間的距離越小，阻抗越大。

表1.2 成型壓力與瓷件密度關系Tab.1 .2 The relationship of the bulk density and forming pressure of the ceramics

表1.3 貼片天線試驗結果Tab.1 .3 The test results of patch antennas

表1.4 貼片天線主要性能比較Tab.1 .4 Main performance comparison of patch antennas

圖2 樣品中心頻率、帶寬和阻抗圖Fig.2 The diagram of sample's center frequency, bandwidth and impedance

基板厚度 可提高帶寬和效率，但是要防止表面波輻射的產生[5]。

2.4 貼片天線的性能

貼片天線的調試是采用自制測試夾具，該夾具一端對地，使用50 Ω阻抗的接頭，保證在匹配的狀態(tài)下進行調試，經過反復調試，測量，部分實驗結果如表1.4所示。部分實驗測量曲線如圖2所示。圖2(a)為樣品中心頻率、帶寬，圖2(b) 樣品阻抗。可見，用ZST系材料制作的中心頻率為1650-1750 MHz，邊長為18 mm厚度為4.0 mm的貼片天線能滿足貼片天線的性能要求。

3 結 論

(1)用ZST系統(tǒng)的瓷料設計與制作的貼片天線，能滿足GPS用天線的主要性能要求。添加少量ZnO的(Zr0.8Sn0.2)TiO4陶瓷，在成型壓力為9 MPa，瓷件線收縮率為20%，密度高。

(2)天線工作時，貼片邊長鍍銀尺寸決定諧振頻率。貼片邊長鍍銀尺寸越小，中心頻率越高。

(3)天線的帶寬和阻抗與厚度有關，即天線厚度越大，帶寬越大，兩諧振點之間的距離越大，阻抗越?。缓穸仍叫?，帶寬越小，則兩諧振點之間的距離越小，阻抗越大。

[1] 吳堅強, 吳迪, 王群, 等. 正交設計制備LaAlO3-SrTiO3介質陶瓷[J]. 陶瓷學報, 2012, 33(3): 310-314.

WU Jianqiang, et al. Journal of Ceramics, 2012, 33(3): 310-314.

[2] O.P.Thakur. et al.，High quality pure ZST ceramics prepared from nanopowders produced by high energy ball milling process. J.Mater.Sci:Mater Electron, 2013, 24: 3504-3507

[3]張實華, 張遠威. 一種用于GPS的微帶天線[J]. 四川輕工業(yè)學院學報, 2002, 15(2): 57-59

ZHANG Shihua, et al. Journal of Sichuan Institute of Light Industry and Chemical Technology, 2002, 15(2): 57-59.

[4] 鐘順時. 微帶天線理論與應用[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 1991, 130-133.

[5]顧繼慧. 微波技術[M]. 北京: 科學出版社, 2004, 124-132.

Application of ZST Microwave Dielectric Ceramics for Making Patch Antennas

WU Jianqiang, GUO Huifeng, HUANG Wanbo
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 3334031, Jiangxi, China)

The development of the circularly polarized ceramic patch antennas is discussed.The patch antenna is designed by method Cavity model and coaxial feed mode,and made from dielectric ceramic materials with the dielectric constant being 38 of the antenna,the center frequency is 1678.13 MHz and bandwidth 15 MHz.The test results show that the antenna meets the performance requirements of Beidou Navigation Satellite System in China.

patch antennas; ZST ceramic; design principle; circular polarization

TQ174.75

A

1000-2278(2014)06-0625-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.012

2014-04-20。

2014-05-18。

江西省科技支撐計劃項目20122BBE500035(贛財教指[2012]87號)。

吳堅強(1958-)，男，教授。

Received date: 2014-04-20. Revised date: 2014-05-18.

Correspondent author:WU Jianqiang(1958-), male, Professor.

E-mail:jianqiangwu1958@163.com