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        基于LTCC技術(shù)的一種高效率輻射單元的研究

        2022-04-29 05:42:40高亮賀彪何中偉
        科技創(chuàng)新與應用 2022年10期
        關(guān)鍵詞:子陣貼片增益

        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遠小于波長的介質(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。對導體貼片可用各種不同的方法進行饋電,從而使貼片與接地板之間激勵起電磁場,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,因而它實現(xiàn)了一維小型化,屬于小天線一類。微帶天線中導體片可以根據(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計有關(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。

        對微帶天線的設計要求,總的來說就是要滿足使用所需的一系列技術(shù)指標,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,線極化時往往給定允許的交叉極化電平,圓極化通常要求軸比。

        (5)機械結(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 輻射單元的設計

        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,由于窄帶特點導致天線頻帶偏移出要求頻帶,嚴重影響天線陣使用。與此同時高介電常數(shù)導致天線陣面存在較強的表面波,天線陣內(nèi)隔離度顯著降低,嚴重影響天線陣方向特向,形成較高柵瓣等不良結(jié)果。

        同時在實施組陣時存在大面積金屬反射面問題。嚴重影響系統(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,同時減小金屬面積。

        人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor,AMC)具有結(jié)構(gòu)簡單,容易制備的特點,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,可以應用于微帶天線及天線陣列的設計中,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),因此可以針對一個人工材料結(jié)構(gòu)單元設置周期邊界條件來模擬人工材料結(jié)構(gòu)的電磁特性,計算出人工材料結(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)來設計天線單元,同時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)的天線設計示意圖

        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a=1.2 mm時,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a=1.3 mm時,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a=1.4 mm時,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a=1.5 mm時,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b=1.6 mm時,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b=1.7 mm時,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b=1.8 mm時,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,諧振最低頻點越向低頻偏移,增益最大點越向低頻偏移,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g=0.13 mm時,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g=0.17 mm時,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,諧振最低頻點越向高頻偏移,增益最大點越向高頻偏移。g在±0.02 mm加工誤差范圍內(nèi)時,諧振最低頻點最大偏移2 GHz,增益最大點最多偏移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)格地設計示意圖

        (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進行修正。由圖10所知,當a=1.4 mm時,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)化設計

        2 2×2子陣的設計與制造

        根據(jù)天線單元設計結(jié)果,以陣間距6.35 mm設計仿真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,性能達到預期要求,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體(Artificial Magnetic Conductor,AMC)的天線單元研究,通過加載人工磁導體結(jié)構(gòu)有效展寬天線帶寬并提升增益。通過實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。

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