方　鑫,肯　諾,張　玲,王　慷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種基于LTCC的脊喇叭天線陣列設(shè)計(jì)

方鑫,肯諾,張玲,王慷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)的Ka波段喇叭天線陣列。該天線利用LTCC工藝的特點(diǎn),采用了通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)脊的設(shè)計(jì),使得脊喇叭天線得以實(shí)現(xiàn)。喇叭口處設(shè)計(jì)了介質(zhì)塊進(jìn)行相位修正,使得天線獲得較寬的帶寬。利用微帶線和介質(zhì)集成波導(dǎo)(SIW)進(jìn)行饋電,組成4×1的陣列進(jìn)行仿真,陣列帶寬為21.7%,方向圖在頻段內(nèi)穩(wěn)定,適合用于各種集成端射天線輻射系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:喇叭天線；波導(dǎo)脊；陣列設(shè)計(jì)；低溫共燒陶瓷

0引言

近年來(lái),低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)不斷發(fā)展,已經(jīng)成為微波毫米波高密度集成技術(shù)研究發(fā)展的熱點(diǎn),廣泛應(yīng)用于電子模塊和整機(jī)中[1-2]。 LTCC材料具有介電常數(shù)高、損耗低、介質(zhì)性能穩(wěn)定等特性,其技術(shù)更具有靈活的設(shè)計(jì)方法,可以將微帶、波導(dǎo)等傳輸線或電路組合在同一個(gè)三維立體微波結(jié)構(gòu)中,從而提高可靠性和集成度。

喇叭天線因其較大增益和良好方向性而獲得廣泛的應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)的喇叭天線比較笨重,難以與網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行集成。文獻(xiàn)[3-4]利用介質(zhì)完成了介質(zhì)集成H型喇叭天線的設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)新穎,適合集成。照此,本文基于LTCC技術(shù),利用通孔的靈活性設(shè)計(jì)了一種脊喇叭天線陣列。

本文首先介紹了Ka頻段的LTCC脊喇叭天線單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),證實(shí)了該天線的可行性及優(yōu)勢(shì)；然后設(shè)計(jì)SIW的功分網(wǎng)絡(luò)作為4×1陣列的饋電網(wǎng)絡(luò),并將天線和網(wǎng)絡(luò)組成整體利用Ansoft HFSS進(jìn)行仿真計(jì)算；最后總結(jié)了所有的設(shè)計(jì)仿真結(jié)果和可發(fā)展性。

1脊喇叭天線陣列

1.1　天線單元設(shè)計(jì)

天線單元結(jié)構(gòu)使用Ferro A6-M介質(zhì),其介電常數(shù)εr=6,損耗角為tanδ=0.002.每層LTCC介質(zhì)厚度為h=0.1 mm,金屬導(dǎo)體的厚度為0.008 mm。該喇叭天線利用介質(zhì)集成波導(dǎo)饋電,金屬通孔和金屬帶組合作為波導(dǎo)墻和喇叭兩側(cè)壁,并利用金屬通孔和金屬帶的靈活性設(shè)計(jì)了脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu),如圖1所示。在天線口徑處設(shè)計(jì)一介質(zhì)加載,修正輻射相位,達(dá)到寬帶和提高增益的作用[3]。

(a) 天線單元俯視圖

(b) 天線單元剖面圖

天線單元結(jié)構(gòu)從頂層到底層共20層,金屬通孔直徑應(yīng)小于等于工作波長(zhǎng)的十分之一,孔心距小于等于二倍孔直徑[5]。根據(jù)LTCC工藝選取通孔直徑為0.15 mm,通孔之間的距離為0.4 mm。其喇叭天線包含由通孔穿透的層數(shù)從6層漸變到1層組成的漸變階梯型脊,天線的優(yōu)化尺寸如圖1中所示。加載階梯脊的設(shè)計(jì)有助于提高帶寬和小型化性能[6-8]。

由于LTCC的介質(zhì)材料介電常數(shù)較高,喇叭天線口徑處的相位差較大,造成能量很難輻射出來(lái),帶寬較窄,也是造成高頻方向圖分裂的一個(gè)原因。本文通過(guò)加載介質(zhì)透鏡的方法,降低口徑相位差,改善天線的輻射方向圖,與階梯脊共同作用提高了天線的帶寬和增益,也達(dá)到了天線小型化的設(shè)計(jì)。

加載介質(zhì)的寬度與喇叭口同寬為5 mm,厚度與喇叭同厚度為2 mm。針對(duì)介質(zhì)延伸長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化分析,其仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2　加載介質(zhì)對(duì)天線駐波影響

圖3　加載介質(zhì)對(duì)天線仿真增益的影響

由于Ansoft HFSS計(jì)算增益時(shí)不考慮駐波影響,在一定范圍內(nèi)其增益隨著加載介質(zhì)的長(zhǎng)度增加而增加。設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮其駐波的影響,d1取值2.5 mm。

1.2　SIW饋電網(wǎng)絡(luò)

為了組成陣列,設(shè)計(jì)了介質(zhì)集成波導(dǎo)(SIW)饋電網(wǎng)絡(luò),如圖4所示。在SIW傳輸?shù)墓拯c(diǎn)處均加入了探針和金屬焊盤(pán),減少能量的傳輸損耗,起到匹配作用。同時(shí),在波導(dǎo)口處設(shè)計(jì)了SIW到微帶線的過(guò)渡。SIW的上表金屬面漸變到微帶線,下表金屬面延伸作為微帶線的地板,最后以50 Ω微帶線進(jìn)行饋電。

圖中d1、d2、d3代表功分器各拐點(diǎn)處離邊的距離。利用HFSS對(duì)該參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最終選取探針直徑為0.3 mm,d1=1.13 mm,d2=0.95 mm,d3=0.85 mm。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4　SIW饋電網(wǎng)絡(luò)

圖5　SIW網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

1.3　4×1天線陣列的設(shè)計(jì)

將4個(gè)天線單元與一分四SIW功分器結(jié)合組成4×1天線陣列,單元間距為6 mm,約為0.7λ。整個(gè)天線陣列由20層LTCC介質(zhì)組成,設(shè)計(jì)了SIW到微帶線的過(guò)渡作為測(cè)試端口。每個(gè)天線單元口徑處均切割成獨(dú)立的模塊。仿真結(jié)構(gòu)如圖6所示。

(a) 俯視圖 (b) 側(cè)視圖

2仿真結(jié)果

天線陣列利用Ansoft HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化,仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。回波損耗|S11|≤-10 dB的帶寬為30.8～38.4 GHz,約為21.7%。

天線陣列工作于31、35、38 GHz的輻射方向圖如圖5所示。天線輻射方向圖在整個(gè)工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定良好。由于天線為H型喇叭天線組成4×1的陣列,所以35 GHz時(shí)波束寬度為E面120、H面18、35 GHz的增益約為11.7 dBi。

圖7　天線陣列的回波損耗和增益

圖8　天線陣列的輻射方向圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文基于LTCC技術(shù)采用微帶線至介質(zhì)集成波導(dǎo)饋電,利用通孔靈活性設(shè)計(jì)了喇叭天線的階梯脊結(jié)構(gòu),并加載介質(zhì)塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)4×1的脊喇叭天線陣設(shè)計(jì)。對(duì)加載介質(zhì)的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化分析,選取最佳尺寸,其仿真性能良好；駐波帶寬21.7%,端射增益為11.7 dBi,方向圖在整個(gè)頻帶內(nèi)穩(wěn)定良好。較高的LTCC加工精度滿足了天線設(shè)計(jì)要求。該天線設(shè)計(jì)適合各類端射系統(tǒng)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

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Design of a LTCC-based ridge horn antenna array

FANG Xin, KEN Nuo, ZHANG Ling, WANG Kang

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Abstract:A Ka-band ridge horn antenna array is designed based on the low temperature co-fired ceramic (LTCC). Based on the features of the LTCC technology, the waveguide ridge is designed with the metal holes to realize the ridge horn antenna. The dielectric block is adopted at the antenna aperture for the phase correction to make the antenna obtain wide bandwidth. Fed by the micro-strip line and the substrate integrated waveguide (SIW), the 4×1 array is formed and simulated, which indicates that the array bandwidth is 21.7 %, the pattern is stable in the frequency band, and it is applicable to various integrated end-fire antenna radiation systems.

Keywords:horn antenna; waveguide ridge; array design; LTCC

中圖分類號(hào):TN820.15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2015)04-0046-04

作者簡(jiǎn)介:方鑫(1989-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：天饋系統(tǒng)；肯諾(1975-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：天饋系統(tǒng)；張玲(1988-)，女，助理工程師，碩士，研究方向：接收系統(tǒng)；王慷(1990-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：天饋系統(tǒng)。

收稿日期：2015-03-11；修回日期：2015-04-02