基于LTCC超材料基板的小型化V波段毫米波微带天线设计

刘振哲 汪 澎

(电子科技大学 成都 611731)

1 引言

随着电子技术的发展，高增益、宽频带的毫米波天线，被广泛应用于无线通信、车载雷达、机载天线等商业、军事领域[1]。毫米波微带天线因具有体积小、重量轻、剖面薄、馈电方式灵活，在雾、雪和尘埃等气候条件下有良好的传播特性等优点而倍受青睐。目前，V波段中76GHz～77GHz被应用于汽车自动驾驶系统中的避撞雷达，这就对毫米波微带天线的尺寸小型化提出了更高的要求[2]。

提高介质基板的特征参数(μr，εr)是实现微带天线小型化的重要途径[3]。由于表面波效应，高介电常数基板存在辐射效率低，阻抗匹配困难等问题。高磁导率材料基板被用来替代高介电常数材料基板[4]。然而磁性材料存在笨重、损耗大、千兆频段后磁性衰减等缺点，不适于毫米波领域的应用，但近年来蓬勃发展的超材料(metamaterials)对解决此问题带来无限的生机。

超材料可以实现丰富广泛的介电常数值和磁导率值，达到许多自然材料不能达到的值域空间，甚至可以控制材料在空间的非均匀分布，从而实现许多常规材料无法实现的性质和功能[5]。本文采用超材料即通过微金属结构实现电磁谐振来获得具有高等效电磁参数的介质，应用LTCC超材料基板，设计了一款工作在76GHz～77GHz的小型化V波段毫米波微带天线。

2 S参数提取法

超材料的特性分析，首先是从等效媒质参数入手，S参数提取法[6]目前已经被广泛用来分析超材料的电磁特性行为。磁导率μ和介电常数ε与n和z之间的关系为[7]:

根据参考文献[6]，折射率 n和波阻抗 z可以通过以下两个公式计算:

由于考虑的是无源介质，上式的符号由以下条件决定:z'和n″分别代表z的实部和 n的虚部。

上式中，n和z是分别来求取的，以致在求解 n的过程中就会遇到很多麻烦，比如余弦函数的多值问题以及正负号的确定等问题。借助改进的基于S参数的参数提取法[8]，先求解 z，然后再由下式求解 n。

该方法利用了各参数之间的内在联系来提取参数，而不是通常的利用 S参数来单独提取各个参数，从而保证了参数提取结果的一致性。

3 LTCC超材料基板设计

单负磁导率媒质可以通过开口谐振环(Split Ring Resonator，简称SRR)结构来实现。当磁场垂直于谐振环平面入射时，会激起强烈的磁谐振。在低于磁谐振频率附近，SRR表现出大的磁导率，在磁谐振频率之后磁导率迅速变为负值，并逐渐增大。SRR结构的几何参数决定谐振频率，毫米波频段要求SRR结构的尺寸小于1mm[9]。

LTCC技术是一种陶瓷多层基板技术，采用叠层工艺，易于制造复杂的三维结构[10]，非常适用于超材料器件研究所需要的多层复杂金属结构的加工和制作。本文采用LTCC技术设计超材料基板，根据前人提出的典型结构，设计了工作在毫米波段的改进SRR结构，微金属结构被印制在多层基片上，各层之间通过通孔进行上下互连，如图1所示。

本设计中，介质基板采用Ferro A6陶瓷薄膜，介电常数为5.9+j0.0118，磁导率为1。通过电磁仿真软件HFSS进行仿真优化，每一层的厚度 d为100μm，共分三层，总厚度为300μm。每个 SRR结构由两个开口谐振环组成。开口谐振环金属线的长度为360μm，宽度为50μm，金属线的厚度为10μm，开口间距为50μm，上下两层金属线通过两个通孔进行互连，通孔的半径为25μm，两个环之间的距离为250μm。

图1 LTCC超材料基板

利用三维电磁仿真软件HFSS来得到该种材料的S参数(S11和S21)，根据改进后的S参数提取方法，提取设计的LTCC超材料基板的等效介电常数和等效磁导率。提取的等效电磁参数如图2所示。从图2中可以看出，SRR结构谐振频率为80GHz，在谐振点附近μr和εr虚部不为零，说明损耗很大，因此天线的工作频率一般要选择低于谐振频率。在76 GHz～77GHz，LTCC基板具有高的等效介电常数(εr＞22)和等效磁导率(μr＞1.2)，从而可以有效实现微带天线的小型化。

图2 LTCC基板介质材料的等效介电常数和磁导率

4 V波段毫米波微带天线设计

基于以上的LTCC超材料基板，本文设计了一款V波段毫米波矩形微带天线。该天线工作在76GHz～77GHz，采用同轴馈电方式，其结构如图3所示。贴片的长度(L)为 350μm，宽度(W)为360μm，厚度为10μm。本文对LTCC基板中是否加入SRR结构的相同尺寸天线进行了仿真对比。

图3 基于LTCC超材料基板的微带天线

如图4(a)所示，所设计的微带天线谐振频率为76.5GHz，工作带宽为76 GHz～77GHz，满足设计要求。基板不加载 SRR结构，天线的谐振频率在120GHz，并且SRR结构对天线的阻抗匹配影响很大，如图4(b)所示。为了将谐振频率调整到76.5GHz，需要调整贴片的尺寸到700μm ×800μm，并重新确定馈电位置。调整后，反射系数仿真如图5所示。相同谐振频率下，是否加载SRR结构的天线增益仿真结果如图6所示。

从图5可以看出，不加载SRR结构，天线带宽将达到10GHz以上，这必然会引入大量的干扰信号，导致后续部分需要额外增加滤波器。通过在LTCC基板中内埋SRR结构，天线尺寸缩小到仅为原来的22.5%，从图4(a)、图5、图6中可以看出，天线尺寸的大幅减小导致了带宽和增益的下降。如何在减小天线尺寸的前提下，提高带宽、增益等指标，是当今小型化天线的热点问题，也将是我们下一步的研究方向。

图6 谐振频率在76.5GHz，天线E面增益和H面增益

5 结论

本文设计了一款工作在76GHz～77GHz的V波段LTCC毫米波微带天线。通过在LTCC基板中加入改进的SRR结构，在指定频段内获得了高的等效介电常数和磁导率，天线尺寸缩小为原来的22.5%，证实了超材料基板可以有效减小天线尺寸。该天线适用于汽车自动驾驶技术避撞雷达领域，具有广阔的研究与应用价值。

[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]肖珍龙.小型化多频段陶瓷天线设计[D].北京:北京邮电大学，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.张肇仪，周乐柱，吴德明等译.微波工程(第三版)[M].北京:电子工业出版社，2006.

[8]毛旭彤，段兆云等.一种改进的参数提取方法[J].微波学报，2010，8.

[9]吴群，孟繁义，傅佳辉.超材料理论及其应用[M].北京:国防工业出版社，2010.

[10]刘新宇.微波 LTCC电路模型研究[D].成都:电子科技大学，2010.