基于LTCC技术的一种高效率辐射单元的研究

2022-04-29高亮贺彪何中伟

科技创新与应用 2022年10期

高亮，贺彪，何中伟

（华东光电集成器件研究所，江苏苏州 215163）

微带天线是由一块厚度远远小于波长的介质板和覆盖在它两面的金属片构成的，如图1所示。其中一片金属片完全覆盖介质板的一面，成为接地板，另一块较小金属板称为辐射元。对导体贴片可用各种不同的方法进行馈电，从而使贴片与接地板之间激励起电磁场，并通过贴片四周的缝隙向外辐射能量。因此，微带天线也可看作是一种缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于小天线一类。微带天线中导体片可以根据不同的需要采用矩形、圆形以及多边形等不同的形状，其中矩形微带贴片天线是最简单的微带天线。

图1 一般性的微带天线示意图

微带天线的馈电分为侧馈和底馈两种[1-2]。所谓侧馈是指馈线（通常是微带传输线）从辐射元的侧面馈入。底馈是指馈线（通常是同轴线）从微带天线的底部接入。本文研究的微带天线单元采用底馈方式。

矩形贴片微带天线与设计有关参量包括矩形贴片宽度W和长度L、介质板厚度h、介质板的长度Lg和宽度Wg、介质的相对介电常数εr和损耗正切tanδ。

对微带天线的设计要求，总的来说就是要满足使用所需的一系列技术指标，其中包括：

（1）工作频率及频带宽度。

（2）方向图特性，包括方向性系数D、增益G及波束宽度。

（3）阻抗特性，一般以天线输入端电压驻波系数或回波损耗小于某一给定值的频带范围表示。

（4）极化特性，线极化时往往给定允许的交叉极化电平，圆极化通常要求轴比。

（5）机械结构要求。

（6）环境条件下的工作特性。

微带天线的主要优点是体积小，重量轻，剖面低，容易做到与飞行器或其他物体表面共形，结构紧凑，性能可靠。微带天线的主要缺点是频带窄，增益低，损耗大，交叉极化大，功率容量低等。本文通过引入AMC结构，来开展高效率辐射单元的研究。

1 辐射单元的设计

1.1 加载人工材料贴片天线单元

LTCC材料介电常数较高、材料损耗角较高，在LTCC材料上的常规微带天线带宽往往小于3%，属于典型的窄带天线。在宽温度范围使用时，由于窄带特点导致天线频带偏移出要求频带，严重影响天线阵使用。与此同时高介电常数导致天线阵面存在较强的表面波，天线阵内隔离度显著降低，严重影响天线阵方向特向，形成较高栅瓣等不良结果。

同时在实施组阵时存在大面积金属反射面问题。严重影响系统的集成特性。为缓解上述问题，开展了基于人工材料的天线单元研究，通过人工材料的使用提升天线辐射效率，改善天线带宽，同时减小金属面积。

人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor，AMC）具有结构简单，容易制备的特点，主要用于提高射频部件的性能。AMC结构通常由介质基板上周期性排列的金属贴片构成，具有理想磁壁对平面波的同相位反射特性，可以应用于微带天线及天线阵列的设计中，可以有效改善天线性能、降低背瓣辐射、提高天线带宽、提高天线增益及效率。辐射单元由微带贴片与人工材料结构组成。LTCC的最顶层是微带线，在微带线上层与金属地之间加一层人工材料结构，可提高微带贴片的辐射性能，从而提高微带天线的带宽与增益。人工材料结构是周期性结构，因此可以针对一个人工材料结构单元设置周期边界条件来模拟人工材料结构的电磁特性，计算出人工材料结构反射相位的模型尺寸。采用6×6的人工材料结构来设计天线单元，同时提高微带线馈线部分的地板，以减小微带线的宽度，减小馈线带来的耦合影响。单元天线结构如图2所示。

图2 加载人工材料结构的天线设计示意图

如图2所示，天线和人工材料结构的介质层均采用Ferro A6生瓷，介电常数为6，介质损耗角为0.002，每层介质厚度0.096 mm；贴片天线尺寸为a×b=1.3 mm×1.7 mm，天线下方介质大小为7 mm×7 mm，介质厚度为3层（0.288 mm），同轴线馈电的内径为D_pin=0.15 mm，外径为0.345 mm，金属焊盘直径为D_pade=0.2 mm，如图3所示，下文所有探针均采用相同尺寸；人工材料结构由金属地、介质和周期排列的方形金属片组成，金属片大小w=0.8 mm，相邻单元间距g=0.15 mm，介质厚度为3层（0.288 mm）。

图3 金属通孔和金属焊盘示意图

仿真结果如图4所示，S11低于-10 dB的阻抗带宽为30.6～40 GHz，相对带宽为26.8%；37.2 GHz取得最大增益为8.5 dBi，比未加载人工材料结构时天线增益6.3 dBi多了2.2 dBi。

图4 加载人工材料贴片天线单元的仿真结果图

1.2 加载人工材料贴片天线单元的尺寸分析

固定贴片天线尺寸b=1.7 mm，改变贴片天线尺寸a，阻抗带宽和增益变化如图5所示。

图5 加载人工材料贴片天线单元a的影响

当a=1.2 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为31.2～38.2 GHz，相对带宽为20%，最大增益为8.5 dBi，带内最小增益为6.72 dBi；当a=1.3 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为30.6～40 GHz，相对带宽为26.8%，最大增益为8.5 dBi，带内最小增益为6.66 dBi；当a=1.4 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为30.4～40 GHz，相对带宽为27.4%，最大增益为8.44 dBi，带内最小增益为6.57 dBi；当a=1.5 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为30～39.8 GHz，相对带宽为28%，最大增益为8.48 dBi，带内最小增益为6.46 dBi。总的来说，a越大，阻抗带宽越大，谐振最低频点越向低频偏移，增益平坦度越差。

固定贴片天线尺寸a=1.3 mm，改变贴片天线尺寸b，阻抗带宽和增益变化如图6所示。

图6 加载人工材料贴片天线单元b的影响

当b=1.6 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为31.6～39.8 GHz，相对带宽为22.4%，38.4 GHz取得最大增益为8.79 dBi，带内最小增益为6.78 dBi；当b=1.7 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为30.8～40 GHz，相对带宽为26.3%，37.2 GHz取得最大增益为8.51 dBi，带内最小增益为6.66 dBi；当b=1.8 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为30.8～40 GHz，相对带宽为26.3%，36.8 GHz取得最大增益为8.18 dBi，带内最小增益为6.36 dBi。概括来说，b越大，阻抗带宽越大，谐振最低频点越向低频偏移，增益最大点越向低频偏移，增益最大值越小，增益平坦度越差。

1.3 加载人工材料贴片天线单元的误差分析

由于间隙加工误差在±0.02 mm之内，所以固定人工材料结构金属片大小w=0.8 mm，改变人工材料相邻单元间距g，阻抗带宽和增益变化如图7所示。

图7 人工材料结构间隙g的误差分析

当g=0.13 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为30.2～40 GHz，相对带宽为28%，36.8 GHz取得最大增益为8.42 dBi，带内最小增益为6.64 dBi；当g=0.17 mm时，S11低于-10 dB的阻抗带宽为32.2～40 GHz，相对带宽为22.3%，37.2 GHz取得最大增益为8.51 dBi，带内最小增益为6.57 dBi。总的来说，g越大，谐振最低频点越向高频偏移，增益最大点越向高频偏移。g在±0.02 mm加工误差范围内时，谐振最低频点最大偏移2 GHz，增益最大点最多偏移0.4 GHz。

1.4 加载人工材料贴片天线单元的网格地的分析

由于LTCC加工工艺要求，金属地的面积不能超过70%（超过70%层间易分层或形成缝隙），所以这里采用几种网格地的方法来替代大面积金属地。如图8所示。

图8 加载人工材料结构天线单元的网格地设计示意图

（1）单层网格地，网格线宽mesh_w=0.2 mm，网格间隙mesh_g=0.15 mm，金属地面积为64%。

（2）单层网格地，网格线宽mesh_w=0.1 mm，网格间隙mesh_g=0.25 mm，金属地面积为13.8%；

（3）相邻两层网格地交错放置，每层网格尺寸和b中网格一致，两层网格地的间距为0.096 mm（1层）。

（4）在c中相邻两层网格地间加载金属柱，金属柱直径为0.1 mm。

上述4种方法仿真结果如图9所示。与完整金属地相比，单层64%金属地略微工作频带出现偏移，增益基本不变；单层13.8%金属地增益出现了明显降低，最大增益降低了0.35 dBi，最大增益点向低频偏了0.6 GHz；双层13.8%金属地阻抗带宽骤减，而且增益明显降低，且出现多处凹口；在双层13.8%金属地间加金属探针，阻抗带宽基本不变，但带内略微出现突起，增益略微降低，增益最大值低了0.2 dB。