小型化低温共烧陶瓷片式天线研究

徐自强 郑 轶 杨邦朝 石 玉

(1． 电子科技大学电子科学技术研究院，四川 成都 610054；2. 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054)

1. 引 言

随着无线通信产品向短、小、轻、薄等方向发展，电子业界对于电子器件小型化要求越来越高，在体积、能耗、成本方面提出更为苛刻的要求，传统的外置鞭状天线、螺旋天线已无法满足移动终端对天线体积、重量和可靠性的要求，发展具有尺寸小、重量轻、全向性好、电气特性稳定的小型化内置天线已经成为目前业界研究的热点[1-2]。

近年来，随着陶瓷工艺技术的飞速发展和应用，低温共烧陶瓷(LTCC)技术以其组装密度高、频率特性好、批量加工一致性高等优点，迅速成为新一代微波器件加工的重要手段，这也为小型化芯片天线的发展提供了技术支撑[3-5]。许多学者提出了LTCC小型化天线的设计方法和实现技术[6-7]。在文献[1]-[2]中所设计的天线的结构是在陶瓷基片的上表面印有曲折导线，并通过在基片底部添加一个毗邻的导体平面来改善天线的带宽特性。文献[7]中的天线结构，不仅在陶瓷基片的上表面印有曲折导线，在陶瓷基片的侧面和下表面也同时印有导线，这样有效缩短了天线的尺寸。但文献[6]-[7]中的天线尺寸比较大，而且因为天线的辐射贴片直接印制在介质基片的外表面，容易被磨损，从而影响天线特性和可靠性。

为了充分利用LTCC三维集成的特点，进一步缩小天线的体积，本文将天线的金属导体依照设计印刷在每一层陶瓷介质层上，通过叠片、等静压和排胶烧结，将天线的曲折L型导线内埋于LTCC介质中，有效缩小天线尺寸，并能达到隐藏天线设计布局保护辐射单元的目的，同时提高芯片天线的稳定性，制作的天线具有体积小、重量轻和适合批量生产等优点。

2. 天线设计

2.1 三维结构

传统内置天线通常采用聚四氟乙烯(FR4)材料制作的印制板天线产品尺寸较大，不能满足未来移动通信中对器件尺寸小、重量轻、性能稳定的需求。该天线的设计谐振频率为f= 2450 MHz，是基于λ/4谐振器理论的单极子天线，通过使用曲折L形线的方法来减小天线的整体长度，如图1所示，即将导体弯折，利用在原来电流流向相互垂直(或成一定角度)的方向再增加一维电流流向，从而增加电流流经的长度，缩小微带线原先所占用的一维空间。

图1 天线单元及电流分析

与传统印制板天线不同的是，本天线基于LTCC集成技术，采用片状多层互连结构，图2是多层天线的三维结构。使用FERRO公司的ULF140高频陶瓷粉料(相对介电常数为14)，按照一定的配方球磨浆化，流延成厚度为50 μm的生瓷带，通过叠片形成多层结构，总共30层，曲折金属导线结构嵌入在高频陶瓷介质内，导线间采用L形的立体结构连接，上下层曲折导线通过金属通孔互连，充分利用高频陶瓷内部空间结构，缩小天线体积。同时，曲折导线x轴向的每一段导体中的电流决定了天线E面(即天线极化方向)的方向。x轴向的每一小段导线相当于一个线天线单元，而整个曲折线天线就相当于一个线天线阵，它们产生的电磁场在远场形成叠加，是天线的主要辐射单元。而由于流经相邻y轴向的曲折导线每一段导体中的电流是反向的，因此，整体上对天线的辐射状况几乎没有影响。

图2 LTCC天线三维结构

2.2 等效电路

在多层天线的结构中，主要体现为LC谐振形式，其中曲折L形立体结构主要呈现感性，但是同层的两个L形结构之间存在耦合电容，同时由于立体结构的尺寸不同，所以立体折线结构可以看成是两个LC并联电路，从而可以得到该多层天线的等效电路原理图，如图3所示。

R1是天线的辐射电阻，电感L1和C1并联构成一个并联谐振器，电感L2和C2并联构成另一个并联谐振器，C3是芯片天线与地之间的寄生电容。该等效电路可适用于多层芯片式弯折线结构天线。

图3 LTCC多层天线等效电路图

天线等效电路中的电感L1和L2可以由电感计算公式得到，有

(1)

式中：μ是陶瓷介质的初始磁导率；N为曲折导线的圈数；Ae为有效磁通面积；le为有效磁路长度即曲折导线的有效长度，主要通过厚度H来表征。

另一方面，同层间耦合电容C1和C2可以用叉指型电容公式近似得到，有

(2)

式中：εr为微波陶瓷粉料的相对介电常数；l=L-W2为曲折导线重叠部分的长度，L=1.6 mm；W=W1+W2为曲折导线的有效宽度，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. 天线仿真

分别采用电路仿真软件和电磁仿真软件对设计的LTCC多层天线电路和三维结构模型进行仿真。首先采用Agilent公司的ADS软件对LTCC多层天线的等效电路进行仿真，通过优化得到等效电路中各元件值分别为L1=5 nH，L2=3.9 nH，R1=58 Ω，C1=0.37 pF，C2=0.4 pF，C3=0.28 pF. 同时，采用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS对提出的天线三维模型进行仿真，有一点需要注意，由于多层片状天线不能作为一个单独个体来实现它的功能，必须要与一定尺寸的地面相结合，为了更好地仿真计算其驻波参数和远场特性，同时便于比较仿真数据与实测数据，设计了天线的测试板结构，如图4所示，并在三维结构仿真建模时也将测试板的模型一同加入联合仿真。这里采用FR4介质的印制电路板(PCB)基板作为测试板，其相对介电常数为4.4，考虑到场仿真时辐射边界和端口的设置，将测试板的尺寸设计为40 mm×20 mm×1.5 mm.

图4 天线测试板结构图

馈线方式采用共面波导(CPW-Ground)的形式，它的优点为低辐射溢漏。采用通孔层间互连技术连接天线馈电接口与辐射曲折线，通过优化设计立体倒L结构的线宽、数量和高度间距，调整谐振频率和阻抗匹配，并通过天线顶端下部的电极作为焊接固定作用。由于天线与共面波导在介质基板同一平面上，而地面的尺寸对天线的驻波影响很大，因此，天线在测试板上的安装位置须注意以下几点，确保天线的匹配和辐射特性不受外电路干扰：

1) 天线水平放置，需安装在PCB 的边缘确保天线正下方PCB正面、背面都没有地；

2) 天线的宽边距离测试板的地应不小于4 mm，短边距离测试板的地应不小于2 mm；

3) 为了降低边缘场效应，上下接地板四周用许多通孔连接。

图5是LTCC多层片式天线的等效电路仿真和三维电磁场仿真结果的对比图。从图5可以看出，场仿真的结果与等效电路仿真的结果基本一致，天线的谐振频率为f= 2450 MHz，驻波小于2的频率带宽为120 MHz，满足2390～2510 MHz应用需求。

图5 天线电磁仿真与电路仿真回波损耗比较

4. 实验结果分析

基于天线的等效电路和三维结构分析，结合LTCC工艺，该天线经过流延、打孔、填孔、印刷、叠片、等静压、切割、排烧、封端等工序进行加工。采用FERRO公司的ULF140微波陶瓷粉料，相对介电常数为14，介质损耗为0.0015，按照一定的配方进行浆化流延，单层膜片厚度为50 μm，内电极材料选用匹配的银浆料，金属图案厚度为12 μm，金属通孔直径为200 μm.

控制好工艺精度是生产合格器件的保证，图6是LTCC多层片状天线的实物照片，最终尺寸为6.0 mm×2.0 mm×1.2 mm.将该天线焊接在图4所示测试板上的相应位置，使用50 Ω的SMA头馈入，采用Agilent公司的矢量网络分析仪E8363B对LTCC天线的回波损耗参数进行测试。图7是LTCC片式天线的S11参数实测图，由测试结果可以看出，LTCC天线的谐振频率为2450 MHz，驻波为2的带宽约为120 MHz，与仿真的S11结果进行对比，可以发现实测数值与仿真结果相近。

图6 LTCC天线实物图

图7 天线回波损耗电磁仿真与实测值比较

将天线放置在转台上作为发射天线与信号源相连，用一个与矢量网络分析仪功率接收端相连的谐振频率为2450 MHz的定向天线作为接收天线，测试了LTCC天线在谐振频率f= 2450 MHz下，E面φ=0°和H面θ=90°时的方向图。图8是LTCC天线的方向图测试结果与仿真结果对比，可以看出测试结果与仿真结果基本一致，水平面平均增益差不大于2.6 dBi，具有较好的全向性。

(a) E面φ=0° (b) E面θ=90°图8 天线方向图

同时，根据天线增益的绝对测量法来粗略计算此时LTCC天线的增益，其公式为

(3)

式中：Pr为网络分析仪功率接收端接收到的功率值；Pt为信号源供给芯片天线的发射功率；Gt为定向接收天线的增益；Gt为LTCC多层天线的增益；λ为信号波长；R为LTCC芯片天线与接收天线间的距离。因此，在已知定向接收天线增益值的情况下，根据设置两天线间距、信号源的输出功率和网络分析仪的读数，通过计算得到芯片天线的增益最大值约为1.0 dBi.仿真结果与实际值较为接近，但是总是存在一定的差异。这是由工艺引起的，而且通常情况下，实物的性能要比仿真的差。导致天线性能变差的因素有很多，如流延出来的介质基片的厚度不一致、印刷厚度不均、叠层和等静压造成的错位、切割时的偏差和共烧时的收缩失配等。因此，设计时必须保证足够的余量，仿真时充分考虑材料损耗带来的影响，尽量采用简洁的电路结构，减少不必要的工艺过程，在节省成本的同时减小了偏差出现的概率。

5. 结 论

提出了一种应用于无线通讯频段的全向天线，通过采用LTCC多层技术，将天线的曲折L型导线内埋于LTCC微波陶瓷介质中，有效缩小了天线尺寸，保护了辐射单元，同时提高了芯片天线的稳定性，制作的天线具有体积小、重量轻、性能稳定和适合批量生产等优点。此类LTCC天线与表面贴装技术相结合，具有不错的天线增益、天线场型和适当的频带宽度，适用于对天线尺度要求比较苛刻的通讯设备，在工程上具有重要的应用价值。

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