劉振哲 汪 澎
(電子科技大學 成都 611731)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,高增益、寬頻帶的毫米波天線,被廣泛應(yīng)用于無線通信、車載雷達、機載天線等商業(yè)、軍事領(lǐng)域[1]。毫米波微帶天線因具有體積小、重量輕、剖面薄、饋電方式靈活,在霧、雪和塵埃等氣候條件下有良好的傳播特性等優(yōu)點而倍受青睞。目前,V波段中76GHz~77GHz被應(yīng)用于汽車自動駕駛系統(tǒng)中的避撞雷達,這就對毫米波微帶天線的尺寸小型化提出了更高的要求[2]。
提高介質(zhì)基板的特征參數(shù)(μr,εr)是實現(xiàn)微帶天線小型化的重要途徑[3]。由于表面波效應(yīng),高介電常數(shù)基板存在輻射效率低,阻抗匹配困難等問題。高磁導率材料基板被用來替代高介電常數(shù)材料基板[4]。然而磁性材料存在笨重、損耗大、千兆頻段后磁性衰減等缺點,不適于毫米波領(lǐng)域的應(yīng)用,但近年來蓬勃發(fā)展的超材料(metamaterials)對解決此問題帶來無限的生機。
超材料可以實現(xiàn)豐富廣泛的介電常數(shù)值和磁導率值,達到許多自然材料不能達到的值域空間,甚至可以控制材料在空間的非均勻分布,從而實現(xiàn)許多常規(guī)材料無法實現(xiàn)的性質(zhì)和功能[5]。本文采用超材料即通過微金屬結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電磁諧振來獲得具有高等效電磁參數(shù)的介質(zhì),應(yīng)用LTCC超材料基板,設(shè)計了一款工作在76GHz~77GHz的小型化V波段毫米波微帶天線。
超材料的特性分析,首先是從等效媒質(zhì)參數(shù)入手,S參數(shù)提取法[6]目前已經(jīng)被廣泛用來分析超材料的電磁特性行為。磁導率μ和介電常數(shù)ε與n和z之間的關(guān)系為[7]:
根據(jù)參考文獻[6],折射率 n和波阻抗 z可以通過以下兩個公式計算:
由于考慮的是無源介質(zhì),上式的符號由以下條件決定:z'和n″分別代表z的實部和 n的虛部。
上式中,n和z是分別來求取的,以致在求解 n的過程中就會遇到很多麻煩,比如余弦函數(shù)的多值問題以及正負號的確定等問題。借助改進的基于S參數(shù)的參數(shù)提取法[8],先求解 z,然后再由下式求解 n。
該方法利用了各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系來提取參數(shù),而不是通常的利用 S參數(shù)來單獨提取各個參數(shù),從而保證了參數(shù)提取結(jié)果的一致性。
單負磁導率媒質(zhì)可以通過開口諧振環(huán)(Split Ring Resonator,簡稱SRR)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。當磁場垂直于諧振環(huán)平面入射時,會激起強烈的磁諧振。在低于磁諧振頻率附近,SRR表現(xiàn)出大的磁導率,在磁諧振頻率之后磁導率迅速變?yōu)樨撝?,并逐漸增大。SRR結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)決定諧振頻率,毫米波頻段要求SRR結(jié)構(gòu)的尺寸小于1mm[9]。
LTCC技術(shù)是一種陶瓷多層基板技術(shù),采用疊層工藝,易于制造復雜的三維結(jié)構(gòu)[10],非常適用于超材料器件研究所需要的多層復雜金屬結(jié)構(gòu)的加工和制作。本文采用LTCC技術(shù)設(shè)計超材料基板,根據(jù)前人提出的典型結(jié)構(gòu),設(shè)計了工作在毫米波段的改進SRR結(jié)構(gòu),微金屬結(jié)構(gòu)被印制在多層基片上,各層之間通過通孔進行上下互連,如圖1所示。
本設(shè)計中,介質(zhì)基板采用Ferro A6陶瓷薄膜,介電常數(shù)為5.9+j0.0118,磁導率為1。通過電磁仿真軟件HFSS進行仿真優(yōu)化,每一層的厚度 d為100μm,共分三層,總厚度為300μm。每個 SRR結(jié)構(gòu)由兩個開口諧振環(huán)組成。開口諧振環(huán)金屬線的長度為360μm,寬度為50μm,金屬線的厚度為10μm,開口間距為50μm,上下兩層金屬線通過兩個通孔進行互連,通孔的半徑為25μm,兩個環(huán)之間的距離為250μm。
圖1 LTCC超材料基板
利用三維電磁仿真軟件HFSS來得到該種材料的S參數(shù)(S11和S21),根據(jù)改進后的S參數(shù)提取方法,提取設(shè)計的LTCC超材料基板的等效介電常數(shù)和等效磁導率。提取的等效電磁參數(shù)如圖2所示。從圖2中可以看出,SRR結(jié)構(gòu)諧振頻率為80GHz,在諧振點附近μr和εr虛部不為零,說明損耗很大,因此天線的工作頻率一般要選擇低于諧振頻率。在76 GHz~77GHz,LTCC基板具有高的等效介電常數(shù)(εr>22)和等效磁導率(μr>1.2),從而可以有效實現(xiàn)微帶天線的小型化。
圖2 LTCC基板介質(zhì)材料的等效介電常數(shù)和磁導率
基于以上的LTCC超材料基板,本文設(shè)計了一款V波段毫米波矩形微帶天線。該天線工作在76GHz~77GHz,采用同軸饋電方式,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。貼片的長度(L)為 350μm,寬度(W)為360μm,厚度為10μm。本文對LTCC基板中是否加入SRR結(jié)構(gòu)的相同尺寸天線進行了仿真對比。
圖3 基于LTCC超材料基板的微帶天線
如圖4(a)所示,所設(shè)計的微帶天線諧振頻率為76.5GHz,工作帶寬為76 GHz~77GHz,滿足設(shè)計要求?;宀患虞d SRR結(jié)構(gòu),天線的諧振頻率在120GHz,并且SRR結(jié)構(gòu)對天線的阻抗匹配影響很大,如圖4(b)所示。為了將諧振頻率調(diào)整到76.5GHz,需要調(diào)整貼片的尺寸到700μm ×800μm,并重新確定饋電位置。調(diào)整后,反射系數(shù)仿真如圖5所示。相同諧振頻率下,是否加載SRR結(jié)構(gòu)的天線增益仿真結(jié)果如圖6所示。
從圖5可以看出,不加載SRR結(jié)構(gòu),天線帶寬將達到10GHz以上,這必然會引入大量的干擾信號,導致后續(xù)部分需要額外增加濾波器。通過在LTCC基板中內(nèi)埋SRR結(jié)構(gòu),天線尺寸縮小到僅為原來的22.5%,從圖4(a)、圖5、圖6中可以看出,天線尺寸的大幅減小導致了帶寬和增益的下降。如何在減小天線尺寸的前提下,提高帶寬、增益等指標,是當今小型化天線的熱點問題,也將是我們下一步的研究方向。
圖6 諧振頻率在76.5GHz,天線E面增益和H面增益
本文設(shè)計了一款工作在76GHz~77GHz的V波段LTCC毫米波微帶天線。通過在LTCC基板中加入改進的SRR結(jié)構(gòu),在指定頻段內(nèi)獲得了高的等效介電常數(shù)和磁導率,天線尺寸縮小為原來的22.5%,證實了超材料基板可以有效減小天線尺寸。該天線適用于汽車自動駕駛技術(shù)避撞雷達領(lǐng)域,具有廣闊的研究與應(yīng)用價值。
[1]In Kwang Kim,Vasundara V.Varadan.LTCC Metamaterial Substrates for Millimeter-Wave Applications[C].IEEE Region 5 Technical Conference, April20 - 21, Fayetteville,AR,2007.
[2]H.S.Lee,J.G.Kim,S.Hong,J.B.Yoon.MicromachinedCPW-FedSuspended Patch Antenna for 77GHz Automotive Radar Applications [C]. WirelessTechnology,2005.The European,249-252.
[3]肖珍龍.小型化多頻段陶瓷天線設(shè)計[D].北京:北京郵電大學,2011.
[4]H.Mosallaei,K.Sarabandi.Magneto-Dielectrics in Electromagnetics:Concept and Applications[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation,2004,52(6):1558 -1567.
[5]J.B.Pendry,A.J.Holden,D.J.Robbins,W.J.Stewart.Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena[J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques,1999,47(11):2075 -2084.
[6]D.R.Smith,S.Schultz,P.Marko,and C.M.Soukoulis.Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients[C].Phys.Rev.B,2002,65:195104.
[7]David M.Pozar.張肇儀,周樂柱,吳德明等譯.微波工程(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.
[8]毛旭彤,段兆云等.一種改進的參數(shù)提取方法[J].微波學報,2010,8.
[9]吳群,孟繁義,傅佳輝.超材料理論及其應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.
[10]劉新宇.微波 LTCC電路模型研究[D].成都:電子科技大學,2010.