基于LTCC技術(shù)的一種高效率輻射單元的研究

高亮，賀彪，何中偉

（華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163）

微帶天線是由一塊厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長的介質(zhì)板和覆蓋在它兩面的金屬片構(gòu)成的，如圖1所示。其中一片金屬片完全覆蓋介質(zhì)板的一面，成為接地板，另一塊較小金屬板稱為輻射元。對導(dǎo)體貼片可用各種不同的方法進(jìn)行饋電，從而使貼片與接地板之間激勵(lì)起電磁場，并通過貼片四周的縫隙向外輻射能量。因此，微帶天線也可看作是一種縫隙天線。通常介質(zhì)基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實(shí)現(xiàn)了一維小型化，屬于小天線一類。微帶天線中導(dǎo)體片可以根據(jù)不同的需要采用矩形、圓形以及多邊形等不同的形狀，其中矩形微帶貼片天線是最簡單的微帶天線。

圖1 一般性的微帶天線示意圖

微帶天線的饋電分為側(cè)饋和底饋兩種[1-2]。所謂側(cè)饋是指饋線（通常是微帶傳輸線）從輻射元的側(cè)面饋入。底饋是指饋線（通常是同軸線）從微帶天線的底部接入。本文研究的微帶天線單元采用底饋方式。

矩形貼片微帶天線與設(shè)計(jì)有關(guān)參量包括矩形貼片寬度W和長度L、介質(zhì)板厚度h、介質(zhì)板的長度Lg和寬度Wg、介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr和損耗正切tanδ。

對微帶天線的設(shè)計(jì)要求，總的來說就是要滿足使用所需的一系列技術(shù)指標(biāo)，其中包括：

（1）工作頻率及頻帶寬度。

（2）方向圖特性，包括方向性系數(shù)D、增益G及波束寬度。

（3）阻抗特性，一般以天線輸入端電壓駐波系數(shù)或回波損耗小于某一給定值的頻帶范圍表示。

（4）極化特性，線極化時(shí)往往給定允許的交叉極化電平，圓極化通常要求軸比。

（5）機(jī)械結(jié)構(gòu)要求。

（6）環(huán)境條件下的工作特性。

微帶天線的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，剖面低，容易做到與飛行器或其他物體表面共形，結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠。微帶天線的主要缺點(diǎn)是頻帶窄，增益低，損耗大，交叉極化大，功率容量低等。本文通過引入AMC結(jié)構(gòu)，來開展高效率輻射單元的研究。

1 輻射單元的設(shè)計(jì)

1.1 加載人工材料貼片天線單元

LTCC材料介電常數(shù)較高、材料損耗角較高，在LTCC材料上的常規(guī)微帶天線帶寬往往小于3%，屬于典型的窄帶天線。在寬溫度范圍使用時(shí)，由于窄帶特點(diǎn)導(dǎo)致天線頻帶偏移出要求頻帶，嚴(yán)重影響天線陣使用。與此同時(shí)高介電常數(shù)導(dǎo)致天線陣面存在較強(qiáng)的表面波，天線陣內(nèi)隔離度顯著降低，嚴(yán)重影響天線陣方向特向，形成較高柵瓣等不良結(jié)果。

同時(shí)在實(shí)施組陣時(shí)存在大面積金屬反射面問題。嚴(yán)重影響系統(tǒng)的集成特性。為緩解上述問題，開展了基于人工材料的天線單元研究，通過人工材料的使用提升天線輻射效率，改善天線帶寬，同時(shí)減小金屬面積。

人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）具有結(jié)構(gòu)簡單，容易制備的特點(diǎn)，主要用于提高射頻部件的性能。AMC結(jié)構(gòu)通常由介質(zhì)基板上周期性排列的金屬貼片構(gòu)成，具有理想磁壁對平面波的同相位反射特性，可以應(yīng)用于微帶天線及天線陣列的設(shè)計(jì)中，可以有效改善天線性能、降低背瓣輻射、提高天線帶寬、提高天線增益及效率。輻射單元由微帶貼片與人工材料結(jié)構(gòu)組成。LTCC的最頂層是微帶線，在微帶線上層與金屬地之間加一層人工材料結(jié)構(gòu)，可提高微帶貼片的輻射性能，從而提高微帶天線的帶寬與增益。人工材料結(jié)構(gòu)是周期性結(jié)構(gòu)，因此可以針對一個(gè)人工材料結(jié)構(gòu)單元設(shè)置周期邊界條件來模擬人工材料結(jié)構(gòu)的電磁特性，計(jì)算出人工材料結(jié)構(gòu)反射相位的模型尺寸。采用6×6的人工材料結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)天線單元，同時(shí)提高微帶線饋線部分的地板，以減小微帶線的寬度，減小饋線帶來的耦合影響。單元天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加載人工材料結(jié)構(gòu)的天線設(shè)計(jì)示意圖

如圖2所示，天線和人工材料結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層均采用Ferro A6生瓷，介電常數(shù)為6，介質(zhì)損耗角為0.002，每層介質(zhì)厚度0.096 mm；貼片天線尺寸為a×b=1.3 mm×1.7 mm，天線下方介質(zhì)大小為7 mm×7 mm，介質(zhì)厚度為3層（0.288 mm），同軸線饋電的內(nèi)徑為D_pin=0.15 mm，外徑為0.345 mm，金屬焊盤直徑為D_pade=0.2 mm，如圖3所示，下文所有探針均采用相同尺寸；人工材料結(jié)構(gòu)由金屬地、介質(zhì)和周期排列的方形金屬片組成，金屬片大小w=0.8 mm，相鄰單元間距g=0.15 mm，介質(zhì)厚度為3層（0.288 mm）。

圖3 金屬通孔和金屬焊盤示意圖

仿真結(jié)果如圖4所示，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.6～40 GHz，相對帶寬為26.8%；37.2 GHz取得最大增益為8.5 dBi，比未加載人工材料結(jié)構(gòu)時(shí)天線增益6.3 dBi多了2.2 dBi。

圖4 加載人工材料貼片天線單元的仿真結(jié)果圖

1.2 加載人工材料貼片天線單元的尺寸分析

固定貼片天線尺寸b=1.7 mm，改變貼片天線尺寸a，阻抗帶寬和增益變化如圖5所示。

圖5 加載人工材料貼片天線單元a的影響

當(dāng)a=1.2 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為31.2～38.2 GHz，相對帶寬為20%，最大增益為8.5 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.72 dBi；當(dāng)a=1.3 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.6～40 GHz，相對帶寬為26.8%，最大增益為8.5 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.66 dBi；當(dāng)a=1.4 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.4～40 GHz，相對帶寬為27.4%，最大增益為8.44 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.57 dBi；當(dāng)a=1.5 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30～39.8 GHz，相對帶寬為28%，最大增益為8.48 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.46 dBi?？偟膩碚f，a越大，阻抗帶寬越大，諧振最低頻點(diǎn)越向低頻偏移，增益平坦度越差。

固定貼片天線尺寸a=1.3 mm，改變貼片天線尺寸b，阻抗帶寬和增益變化如圖6所示。

圖6 加載人工材料貼片天線單元b的影響

當(dāng)b=1.6 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為31.6～39.8 GHz，相對帶寬為22.4%，38.4 GHz取得最大增益為8.79 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.78 dBi；當(dāng)b=1.7 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.8～40 GHz，相對帶寬為26.3%，37.2 GHz取得最大增益為8.51 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.66 dBi；當(dāng)b=1.8 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.8～40 GHz，相對帶寬為26.3%，36.8 GHz取得最大增益為8.18 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.36 dBi。概括來說，b越大，阻抗帶寬越大，諧振最低頻點(diǎn)越向低頻偏移，增益最大點(diǎn)越向低頻偏移，增益最大值越小，增益平坦度越差。

1.3 加載人工材料貼片天線單元的誤差分析

由于間隙加工誤差在±0.02 mm之內(nèi)，所以固定人工材料結(jié)構(gòu)金屬片大小w=0.8 mm，改變?nèi)斯げ牧舷噜弳卧g距g，阻抗帶寬和增益變化如圖7所示。

圖7 人工材料結(jié)構(gòu)間隙g的誤差分析

當(dāng)g=0.13 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.2～40 GHz，相對帶寬為28%，36.8 GHz取得最大增益為8.42 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.64 dBi；當(dāng)g=0.17 mm時(shí)，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為32.2～40 GHz，相對帶寬為22.3%，37.2 GHz取得最大增益為8.51 dBi，帶內(nèi)最小增益為6.57 dBi?？偟膩碚f，g越大，諧振最低頻點(diǎn)越向高頻偏移，增益最大點(diǎn)越向高頻偏移。g在±0.02 mm加工誤差范圍內(nèi)時(shí)，諧振最低頻點(diǎn)最大偏移2 GHz，增益最大點(diǎn)最多偏移0.4 GHz。

1.4 加載人工材料貼片天線單元的網(wǎng)格地的分析

由于LTCC加工工藝要求，金屬地的面積不能超過70%（超過70%層間易分層或形成縫隙），所以這里采用幾種網(wǎng)格地的方法來替代大面積金屬地。如圖8所示。

圖8 加載人工材料結(jié)構(gòu)天線單元的網(wǎng)格地設(shè)計(jì)示意圖

（1）單層網(wǎng)格地，網(wǎng)格線寬mesh_w=0.2 mm，網(wǎng)格間隙mesh_g=0.15 mm，金屬地面積為64%。

（2）單層網(wǎng)格地，網(wǎng)格線寬mesh_w=0.1 mm，網(wǎng)格間隙mesh_g=0.25 mm，金屬地面積為13.8%；

（3）相鄰兩層網(wǎng)格地交錯(cuò)放置，每層網(wǎng)格尺寸和b中網(wǎng)格一致，兩層網(wǎng)格地的間距為0.096 mm（1層）。

（4）在c中相鄰兩層網(wǎng)格地間加載金屬柱，金屬柱直徑為0.1 mm。

上述4種方法仿真結(jié)果如圖9所示。與完整金屬地相比，單層64%金屬地略微工作頻帶出現(xiàn)偏移，增益基本不變；單層13.8%金屬地增益出現(xiàn)了明顯降低，最大增益降低了0.35 dBi，最大增益點(diǎn)向低頻偏了0.6 GHz；雙層13.8%金屬地阻抗帶寬驟減，而且增益明顯降低，且出現(xiàn)多處凹口；在雙層13.8%金屬地間加金屬探針，阻抗帶寬基本不變，但帶內(nèi)略微出現(xiàn)突起，增益略微降低，增益最大值低了0.2 dB。

圖9 4種網(wǎng)格地與完整金屬地的比較分析

針對雙層12.8%金屬地間加金屬探針的網(wǎng)格地，阻抗帶寬帶內(nèi)出現(xiàn)突起的問題，這里采用優(yōu)化天線尺寸a進(jìn)行修正。由圖10所知，當(dāng)a=1.4 mm時(shí)，帶內(nèi)凹口消失，增益基本不變。

圖10 雙層12.8%金屬地間加金屬探針的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2 2×2子陣的設(shè)計(jì)與制造

根據(jù)天線單元設(shè)計(jì)結(jié)果，以陣間距6.35 mm設(shè)計(jì)仿真2×2子陣，模型示意圖如圖11所示，仿真結(jié)果如圖12所示。同時(shí)加工有無加載人工材料結(jié)構(gòu)2×2子陣，并使用Ferro生瓷及其配套電子漿料分別完成2×2子陣LTCC基板加工，2×2子陣LTCC基板如圖13所示。

圖11 加載人工材料結(jié)構(gòu)的2×2子陣示意圖

圖12 加載人工材料結(jié)構(gòu)的2×2子陣仿真結(jié)果

圖13 2×2子陣LTCC基板

3 2×2子陣的測試

將是否加載人工材料結(jié)構(gòu)的子陣測試結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，加載人工材料結(jié)構(gòu)的2×2天線子陣，帶寬明顯得到優(yōu)化，性能達(dá)到預(yù)期要求，見表1。測試曲線如圖14、圖15所示。

圖14 有無AMC結(jié)構(gòu)的2×2天線子陣駐波測試對比曲線

圖15 有無加載AMC結(jié)構(gòu)的2×2天線子陣增益測試對比曲線

4 結(jié)束語

本文開展了基于人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）的天線單元研究，通過加載人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有效展寬天線帶寬并提升增益。通過實(shí)物加工后對比有無加載AMC結(jié)構(gòu)的天線測試結(jié)果對比，證明加載AMC結(jié)構(gòu)的天線具有高效率輻射特性。