徐自強(qiáng) 鄭 軼 楊邦朝 石 玉

(1． 電子科技大學(xué)電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610054；2. 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610054)

1. 引 言

隨著無線通信產(chǎn)品向短、小、輕、薄等方向發(fā)展，電子業(yè)界對于電子器件小型化要求越來越高，在體積、能耗、成本方面提出更為苛刻的要求，傳統(tǒng)的外置鞭狀天線、螺旋天線已無法滿足移動終端對天線體積、重量和可靠性的要求，發(fā)展具有尺寸小、重量輕、全向性好、電氣特性穩(wěn)定的小型化內(nèi)置天線已經(jīng)成為目前業(yè)界研究的熱點(diǎn)[1-2]。

近年來，隨著陶瓷工藝技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)以其組裝密度高、頻率特性好、批量加工一致性高等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為新一代微波器件加工的重要手段，這也為小型化芯片天線的發(fā)展提供了技術(shù)支撐[3-5]。許多學(xué)者提出了LTCC小型化天線的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)[6-7]。在文獻(xiàn)[1]-[2]中所設(shè)計(jì)的天線的結(jié)構(gòu)是在陶瓷基片的上表面印有曲折導(dǎo)線，并通過在基片底部添加一個毗鄰的導(dǎo)體平面來改善天線的帶寬特性。文獻(xiàn)[7]中的天線結(jié)構(gòu)，不僅在陶瓷基片的上表面印有曲折導(dǎo)線，在陶瓷基片的側(cè)面和下表面也同時印有導(dǎo)線，這樣有效縮短了天線的尺寸。但文獻(xiàn)[6]-[7]中的天線尺寸比較大，而且因?yàn)樘炀€的輻射貼片直接印制在介質(zhì)基片的外表面，容易被磨損，從而影響天線特性和可靠性。

為了充分利用LTCC三維集成的特點(diǎn)，進(jìn)一步縮小天線的體積，本文將天線的金屬導(dǎo)體依照設(shè)計(jì)印刷在每一層陶瓷介質(zhì)層上，通過疊片、等靜壓和排膠燒結(jié)，將天線的曲折L型導(dǎo)線內(nèi)埋于LTCC介質(zhì)中，有效縮小天線尺寸，并能達(dá)到隱藏天線設(shè)計(jì)布局保護(hù)輻射單元的目的，同時提高芯片天線的穩(wěn)定性，制作的天線具有體積小、重量輕和適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

2. 天線設(shè)計(jì)

2.1 三維結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)內(nèi)置天線通常采用聚四氟乙烯(FR4)材料制作的印制板天線產(chǎn)品尺寸較大，不能滿足未來移動通信中對器件尺寸小、重量輕、性能穩(wěn)定的需求。該天線的設(shè)計(jì)諧振頻率為f= 2450 MHz，是基于λ/4諧振器理論的單極子天線，通過使用曲折L形線的方法來減小天線的整體長度，如圖1所示，即將導(dǎo)體彎折，利用在原來電流流向相互垂直(或成一定角度)的方向再增加一維電流流向，從而增加電流流經(jīng)的長度，縮小微帶線原先所占用的一維空間。

圖1 天線單元及電流分析

與傳統(tǒng)印制板天線不同的是，本天線基于LTCC集成技術(shù)，采用片狀多層互連結(jié)構(gòu)，圖2是多層天線的三維結(jié)構(gòu)。使用FERRO公司的ULF140高頻陶瓷粉料(相對介電常數(shù)為14)，按照一定的配方球磨漿化，流延成厚度為50 μm的生瓷帶，通過疊片形成多層結(jié)構(gòu)，總共30層，曲折金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)嵌入在高頻陶瓷介質(zhì)內(nèi)，導(dǎo)線間采用L形的立體結(jié)構(gòu)連接，上下層曲折導(dǎo)線通過金屬通孔互連，充分利用高頻陶瓷內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，縮小天線體積。同時，曲折導(dǎo)線x軸向的每一段導(dǎo)體中的電流決定了天線E面(即天線極化方向)的方向。x軸向的每一小段導(dǎo)線相當(dāng)于一個線天線單元，而整個曲折線天線就相當(dāng)于一個線天線陣，它們產(chǎn)生的電磁場在遠(yuǎn)場形成疊加，是天線的主要輻射單元。而由于流經(jīng)相鄰y軸向的曲折導(dǎo)線每一段導(dǎo)體中的電流是反向的，因此，整體上對天線的輻射狀況幾乎沒有影響。

圖2 LTCC天線三維結(jié)構(gòu)

2.2 等效電路

在多層天線的結(jié)構(gòu)中，主要體現(xiàn)為LC諧振形式，其中曲折L形立體結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)感性，但是同層的兩個L形結(jié)構(gòu)之間存在耦合電容，同時由于立體結(jié)構(gòu)的尺寸不同，所以立體折線結(jié)構(gòu)可以看成是兩個LC并聯(lián)電路，從而可以得到該多層天線的等效電路原理圖，如圖3所示。

R1是天線的輻射電阻，電感L1和C1并聯(lián)構(gòu)成一個并聯(lián)諧振器，電感L2和C2并聯(lián)構(gòu)成另一個并聯(lián)諧振器，C3是芯片天線與地之間的寄生電容。該等效電路可適用于多層芯片式彎折線結(jié)構(gòu)天線。

圖3 LTCC多層天線等效電路圖

天線等效電路中的電感L1和L2可以由電感計(jì)算公式得到，有

(1)

式中：μ是陶瓷介質(zhì)的初始磁導(dǎo)率；N為曲折導(dǎo)線的圈數(shù)；Ae為有效磁通面積；le為有效磁路長度即曲折導(dǎo)線的有效長度，主要通過厚度H來表征。

另一方面，同層間耦合電容C1和C2可以用叉指型電容公式近似得到，有

(2)

式中：εr為微波陶瓷粉料的相對介電常數(shù)；l=L-W2為曲折導(dǎo)線重疊部分的長度，L=1.6 mm；W=W1+W2為曲折導(dǎo)線的有效寬度，W1=0.62 mm，W2=0.2 mm；H=1.0 mm;A1=4.409×10-3pF/mm;A2=9.92×10-3pF/mm.

3. 天線仿真

分別采用電路仿真軟件和電磁仿真軟件對設(shè)計(jì)的LTCC多層天線電路和三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真。首先采用Agilent公司的ADS軟件對LTCC多層天線的等效電路進(jìn)行仿真，通過優(yōu)化得到等效電路中各元件值分別為L1=5 nH，L2=3.9 nH，R1=58 Ω，C1=0.37 pF，C2=0.4 pF，C3=0.28 pF. 同時，采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對提出的天線三維模型進(jìn)行仿真，有一點(diǎn)需要注意，由于多層片狀天線不能作為一個單獨(dú)個體來實(shí)現(xiàn)它的功能，必須要與一定尺寸的地面相結(jié)合，為了更好地仿真計(jì)算其駐波參數(shù)和遠(yuǎn)場特性，同時便于比較仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了天線的測試板結(jié)構(gòu)，如圖4所示，并在三維結(jié)構(gòu)仿真建模時也將測試板的模型一同加入聯(lián)合仿真。這里采用FR4介質(zhì)的印制電路板(PCB)基板作為測試板，其相對介電常數(shù)為4.4，考慮到場仿真時輻射邊界和端口的設(shè)置，將測試板的尺寸設(shè)計(jì)為40 mm×20 mm×1.5 mm.

圖4 天線測試板結(jié)構(gòu)圖

饋線方式采用共面波導(dǎo)(CPW-Ground)的形式，它的優(yōu)點(diǎn)為低輻射溢漏。采用通孔層間互連技術(shù)連接天線饋電接口與輻射曲折線，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)立體倒L結(jié)構(gòu)的線寬、數(shù)量和高度間距，調(diào)整諧振頻率和阻抗匹配，并通過天線頂端下部的電極作為焊接固定作用。由于天線與共面波導(dǎo)在介質(zhì)基板同一平面上，而地面的尺寸對天線的駐波影響很大，因此，天線在測試板上的安裝位置須注意以下幾點(diǎn)，確保天線的匹配和輻射特性不受外電路干擾：

1) 天線水平放置，需安裝在PCB 的邊緣確保天線正下方PCB正面、背面都沒有地；

2) 天線的寬邊距離測試板的地應(yīng)不小于4 mm，短邊距離測試板的地應(yīng)不小于2 mm；

3) 為了降低邊緣場效應(yīng)，上下接地板四周用許多通孔連接。

圖5是LTCC多層片式天線的等效電路仿真和三維電磁場仿真結(jié)果的對比圖。從圖5可以看出，場仿真的結(jié)果與等效電路仿真的結(jié)果基本一致，天線的諧振頻率為f= 2450 MHz，駐波小于2的頻率帶寬為120 MHz，滿足2390～2510 MHz應(yīng)用需求。

圖5 天線電磁仿真與電路仿真回波損耗比較

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于天線的等效電路和三維結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合LTCC工藝，該天線經(jīng)過流延、打孔、填孔、印刷、疊片、等靜壓、切割、排燒、封端等工序進(jìn)行加工。采用FERRO公司的ULF140微波陶瓷粉料，相對介電常數(shù)為14，介質(zhì)損耗為0.0015，按照一定的配方進(jìn)行漿化流延，單層膜片厚度為50 μm，內(nèi)電極材料選用匹配的銀漿料，金屬圖案厚度為12 μm，金屬通孔直徑為200 μm.

控制好工藝精度是生產(chǎn)合格器件的保證，圖6是LTCC多層片狀天線的實(shí)物照片，最終尺寸為6.0 mm×2.0 mm×1.2 mm.將該天線焊接在圖4所示測試板上的相應(yīng)位置，使用50 Ω的SMA頭饋入，采用Agilent公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B對LTCC天線的回波損耗參數(shù)進(jìn)行測試。圖7是LTCC片式天線的S11參數(shù)實(shí)測圖，由測試結(jié)果可以看出，LTCC天線的諧振頻率為2450 MHz，駐波為2的帶寬約為120 MHz，與仿真的S11結(jié)果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測數(shù)值與仿真結(jié)果相近。

圖6 LTCC天線實(shí)物圖

圖7 天線回波損耗電磁仿真與實(shí)測值比較

將天線放置在轉(zhuǎn)臺上作為發(fā)射天線與信號源相連，用一個與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率接收端相連的諧振頻率為2450 MHz的定向天線作為接收天線，測試了LTCC天線在諧振頻率f= 2450 MHz下，E面φ=0°和H面θ=90°時的方向圖。圖8是LTCC天線的方向圖測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比，可以看出測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，水平面平均增益差不大于2.6 dBi，具有較好的全向性。

(a) E面φ=0° (b) E面θ=90°圖8 天線方向圖

同時，根據(jù)天線增益的絕對測量法來粗略計(jì)算此時LTCC天線的增益，其公式為

(3)

式中：Pr為網(wǎng)絡(luò)分析儀功率接收端接收到的功率值；Pt為信號源供給芯片天線的發(fā)射功率；Gt為定向接收天線的增益；Gt為LTCC多層天線的增益；λ為信號波長；R為LTCC芯片天線與接收天線間的距離。因此，在已知定向接收天線增益值的情況下，根據(jù)設(shè)置兩天線間距、信號源的輸出功率和網(wǎng)絡(luò)分析儀的讀數(shù)，通過計(jì)算得到芯片天線的增益最大值約為1.0 dBi.仿真結(jié)果與實(shí)際值較為接近，但是總是存在一定的差異。這是由工藝引起的，而且通常情況下，實(shí)物的性能要比仿真的差。導(dǎo)致天線性能變差的因素有很多，如流延出來的介質(zhì)基片的厚度不一致、印刷厚度不均、疊層和等靜壓造成的錯位、切割時的偏差和共燒時的收縮失配等。因此，設(shè)計(jì)時必須保證足夠的余量，仿真時充分考慮材料損耗帶來的影響，盡量采用簡潔的電路結(jié)構(gòu)，減少不必要的工藝過程，在節(jié)省成本的同時減小了偏差出現(xiàn)的概率。

5. 結(jié) 論

提出了一種應(yīng)用于無線通訊頻段的全向天線，通過采用LTCC多層技術(shù)，將天線的曲折L型導(dǎo)線內(nèi)埋于LTCC微波陶瓷介質(zhì)中，有效縮小了天線尺寸，保護(hù)了輻射單元，同時提高了芯片天線的穩(wěn)定性，制作的天線具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定和適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。此類LTCC天線與表面貼裝技術(shù)相結(jié)合，具有不錯的天線增益、天線場型和適當(dāng)?shù)念l帶寬度，適用于對天線尺度要求比較苛刻的通訊設(shè)備，在工程上具有重要的應(yīng)用價值。

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