ZST微波陶瓷在贴片天线制作中的应用

吴坚强，郭慧锋，黄万波

（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）

ZST微波陶瓷在贴片天线制作中的应用

吴坚强，郭慧锋，黄万波

（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）

讨论圆极化陶瓷贴片天线的研究过程，该天线采用空腔模型方法和同轴线馈电方式设计，利用相对介电常数38的微波陶瓷制作，从而使贴片天线获得了中心频率为1678.13 MHz，带宽为15 MHz的性能。结果表明该贴片天线能满足我国“北斗卫星导航”接收机的要求。

贴片天线；ZST陶瓷；设计原理；圆极化

0 引 言

近年来，ZST[(Zr0.8Sn0.2)TiO4简称为ZST]陶瓷因具有介电常数εr适中、频率温度系数τf可调和制备工艺易控制的特点，被广泛用于移动通信[1,2]。目前，已逐步用于我国“北斗”导航通信工程，如导航接收机用贴片天线。该天线除了要求结构紧凑和易于微波集成外，还对其提出具有良好的圆极化、阻抗匹配和温度稳定性等要求。而用εr为21、36和90材料制作的贴片天线仍然存在着温度稳定性不高等不足，解决这一问题的第一步是要制造品质因数高、介电常数适中、频率温度系数小的贴片天线陶瓷基板。有效方法之一是提高材料Q值，同时研究陶瓷基板在贴片天线上的应用。

本文着重分析了ZST系微波陶瓷的成型压力对陶瓷基板密度的影响。研究了陶瓷基板被银尺寸对贴片天线中心频率的影响，还讨论了陶瓷基板厚度对贴片天线带宽和阻抗的影响。用干压成型工艺制作了中心频率在1650～1750 MHz范围的圆极化陶瓷贴片天线，期望得到电性能满足设计要求贴片天线。

1 实验过程与方法

1.1 方案的确定

本实验研究的是外形尺寸为边长18 mm厚度4 mm独块状陶瓷贴片天线，其主要技术要求如表1.1所示。选用ZST材料和干压成型方法制作贴片天线陶瓷基板。

1.2 设计原理与结构

根据天线设计要求，其厚度为4 mm，远小于谐振波波长，满足空腔模型理论条件，故采用空腔模型法。再结合设计要求，接收的是卫星圆极化技术发射的信号，并且只有一个频率，其结构紧凑、易于贴片、外形为正方形；故采用单馈点圆极化技术，同轴线馈电。

表1.1 贴片天线主要技术要求Tab.1 .1 The main performance requirements of patch antenna

根据腔模理论，陶瓷贴片边长a和厚度h服从公式[3]：

式中，c为光速；εr为介质基片相对介电常数；for为未微扰天线谐振频率；fu为贴片天线最高工作频率；h为贴片天线厚度。

当选用陶瓷材料介电常数εr为38，天线外形尺寸为正方形时，根据设计要求即陶瓷基板尺寸为18×18×4 mm；底部银面积18×18 mm；通过计算，确定贴片边长即顶部银面积14.8×14.8 mm。使用50 Ω的标准阻抗时，单馈点圆极化贴片天线馈电点位置为对角线中心向上边长偏离1.5 mm，探针直径：1.5 mm。其结构如图1所示。

为实现圆极化，在正方形贴片对角线上像波导拐弯那样切掉一个45°的角，出现了两个分离单元ΔS，这两个分离单元使得馈电场形成两个空间正交简并模的谐振频率发生分离，分离的大小决定于ΔS/S(即S =a2)。而这两个模必须达到幅值相等、相位相差90°。其中相等幅值可以通过适当选择馈电位置实现，如馈电点选择在位于切角贴片的中心线。90°相移的产生有两个因素，一个是馈电点位置，另一个是分离单元的尺寸。由于贴片天线激励模可以等效为一个并联的LCR电路，用变分理论，通过积分求出k值，由k值可以找出模的谐振频率。再由圆极化条件，确定贴片天线Q值与微扰尺寸的关系，最后确定分离单元的尺寸[4]。

图1 矩形贴片天线结构图Fig.1 The structure diagram of rectangular patch antenna

1.3 实验瓷料

2.3 两组患者围手术期并发症发生率比较 观察组围手术期总并发症发生率显著低于对照组，差异有统计学意义(χ2=4.659，P=0.031)。观察组随访2年，未见网片侵蚀、感染现象发生。见表3。

以分析纯ZrO2、SnO2和化学纯TiO2为原材料，按化学式(Zr0.8Sn0.2)TiO4，添加ZnO进行配料，材料性能满足εr为38，Q×f值为35000 GHz，τf为-2×10-6/℃。

1.4 实验工艺流程

1.4.1 天线基板制备

瓷料→加黏合剂→成型→烧成。

1.4.2 天线制备

被银、烧银→焊引线→测量、调试。

1.4.3 实验设备与仪器

用769YP-15A粉末压片机和1400 ℃窑炉分别对瓷料成型和烧结；用E5071B型Agilent Technogies矢量网络分析仪分别测量了样品的εr、τf、Q和贴片天线微波性能；用Archimedes法测量样品体积密度ρV。

2 结果与讨论

2.1 成型压力对瓷件密度的影响

干压成型后坯体在1300 ℃下烧结，坯体的成型压力、瓷件线收缩率和密度之间的关系如表1.2所示。从表1.2可知，成型压力为9 MPa，瓷件线收缩率为20%，密度高，是较好的成型压力。

2.2 银电极尺寸大小对中心频率的影响

贴片天线实验结果如表1.3所示。

由表1.3所示可知：1#、2#、3#天线中心频率由1758.1 MHz下降到1602.3 MHz，即贴片天线中心频率随镀银尺寸的增大而减小。这是因为矩形微带天线的中心频率是由微带天线的长度和宽度(图1中顶部的尺寸)决定的，从式(1)可以看出：矩形图形天线工作时，它的贴片边长镀银尺寸决定谐振频率。贴片边长镀银尺寸越小，中心频率越高。

2.3 贴片天线厚度对带宽、阻抗的影响

由表1.3所示可知：1#、2# 、3#和4#、5# 、6#厚度不同，天线带宽和阻抗不同。厚度由4 mm增加到4.8 mm,天线的带宽平均值13.5 MHz增大为14.5 MHz。即天线厚度越大，带宽越大，这可以从式(2)得到证实。当厚度由4 mm增加到4.8 mm，天线的阻抗由平均值由45 Ω增大至49.5 Ω可知：厚度越小，两谐振点之间的距离越大，阻抗越小；而厚度越大，则两谐振点之间的距离越小，阻抗越大。

表1.2 成型压力与瓷件密度关系Tab.1 .2 The relationship of the bulk density and forming pressure of the ceramics

表1.3 贴片天线试验结果Tab.1 .3 The test results of patch antennas

表1.4 贴片天线主要性能比较Tab.1 .4 Main performance comparison of patch antennas

图2 样品中心频率、带宽和阻抗图Fig.2 The diagram of sample's center frequency, bandwidth and impedance

基板厚度 可提高带宽和效率，但是要防止表面波辐射的产生[5]。

2.4 贴片天线的性能

贴片天线的调试是采用自制测试夹具，该夹具一端对地，使用50 Ω阻抗的接头，保证在匹配的状态下进行调试，经过反复调试，测量，部分实验结果如表1.4所示。部分实验测量曲线如图2所示。图2(a)为样品中心频率、带宽，图2(b) 样品阻抗。可见，用ZST系材料制作的中心频率为1650-1750 MHz，边长为18 mm厚度为4.0 mm的贴片天线能满足贴片天线的性能要求。

3 结 论

(1)用ZST系统的瓷料设计与制作的贴片天线，能满足GPS用天线的主要性能要求。添加少量ZnO的(Zr0.8Sn0.2)TiO4陶瓷，在成型压力为9 MPa，瓷件线收缩率为20%，密度高。

(2)天线工作时，贴片边长镀银尺寸决定谐振频率。贴片边长镀银尺寸越小，中心频率越高。

(3)天线的带宽和阻抗与厚度有关，即天线厚度越大，带宽越大，两谐振点之间的距离越大，阻抗越小；厚度越小，带宽越小，则两谐振点之间的距离越小，阻抗越大。

[1] 吴坚强, 吴迪, 王群, 等. 正交设计制备LaAlO3-SrTiO3介质陶瓷[J]. 陶瓷学报, 2012, 33(3): 310-314.

WU Jianqiang, et al. Journal of Ceramics, 2012, 33(3): 310-314.

[2] O.P.Thakur. et al.，High quality pure ZST ceramics prepared from nanopowders produced by high energy ball milling process. J.Mater.Sci:Mater Electron, 2013, 24: 3504-3507

[3]张实华, 张远威. 一种用于GPS的微带天线[J]. 四川轻工业学院学报, 2002, 15(2): 57-59

ZHANG Shihua, et al. Journal of Sichuan Institute of Light Industry and Chemical Technology, 2002, 15(2): 57-59.

[4] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1991, 130-133.

[5]顾继慧. 微波技术[M]. 北京: 科学出版社, 2004, 124-132.

Application of ZST Microwave Dielectric Ceramics for Making Patch Antennas

WU Jianqiang, GUO Huifeng, HUANG Wanbo
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 3334031, Jiangxi, China)

The development of the circularly polarized ceramic patch antennas is discussed.The patch antenna is designed by method Cavity model and coaxial feed mode,and made from dielectric ceramic materials with the dielectric constant being 38 of the antenna,the center frequency is 1678.13 MHz and bandwidth 15 MHz.The test results show that the antenna meets the performance requirements of Beidou Navigation Satellite System in China.

patch antennas; ZST ceramic; design principle; circular polarization

TQ174.75

A

1000-2278(2014)06-0625-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.012

2014-04-20。

2014-05-18。

江西省科技支撑计划项目20122BBE500035(赣财教指[2012]87号)。

吴坚强(1958-)，男，教授。

Received date: 2014-04-20. Revised date: 2014-05-18.

Correspondent author:WU Jianqiang(1958-), male, Professor.

E-mail:jianqiangwu1958@163.com