基于多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線

1 引言

無(wú)線寬帶通信的迅猛發(fā)展需要能傳輸高比特率的新型寬帶天線。毫米波段是短距離高比特率無(wú)線通信的重要波段。所以近年來(lái)，毫米波段小型高性能的超寬帶天線吸引了大量的研究人員在這方面進(jìn)行研究工作。

天線設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要趨勢(shì)是集成天線的射頻前端電路。在過(guò)去幾年中，低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)大量用于射頻前端電路。但是，LTCC由于其相對(duì)較高的介電常數(shù)會(huì)導(dǎo)致阻抗帶寬較窄和明顯的表面波，并不是一種理想的用于天線集成的材料。最近，提出了將液晶聚合物(LCP)材料用于微波和毫米波射頻前端電路集成和封裝。LCP作為一種新材料，損耗比LTCC更低，非常適用于制造微波，毫米波設(shè)備，因而有很好的應(yīng)用前景。其優(yōu)點(diǎn)如下：低損耗（頻率為60GHz時(shí)，損耗角正切值0.002-0.004），靈活性，密封性（吸水率小于0.004％）[1]。正是基于以上優(yōu)點(diǎn)，LCP可用于制造高頻器件。

2 超寬帶槽天線設(shè)計(jì)

2.1 單層槽天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錐形槽天線是一種重要的超寬帶天線類型,顯示了一些優(yōu)點(diǎn)如寬帶和高增益。此類天線的基本設(shè)計(jì)原則。在傳統(tǒng)的錐形槽天線中接地板是沒(méi)有使用的，能源輻射到錐形槽的兩側(cè)。在設(shè)計(jì)集成天線，一般需要把天線安裝在金屬地板之上，但是金屬板會(huì)嚴(yán)重影響天線性能，如減少工作帶寬。因此，帶地板的錐形槽天線設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的工作和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖１是LCP工藝結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。電路板由８層金屬和７層介質(zhì)組成，厚度分別為h₁=50μm ，h₂=18μm，介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)是2.9。

圖1 LCP工藝結(jié)構(gòu)圖

我們基于多層LCP電路板設(shè)計(jì)帶地板的覆蓋毫米波低頻段的超寬帶槽天線。立體結(jié)構(gòu)如圖２所示。能量通過(guò)最上層的微帶線饋入天線，線性錐形槽放在第三層金屬上，通過(guò)微帶－槽線將能量從饋線耦合到輻射槽，見(jiàn)圖4。對(duì)于微帶饋線來(lái)講，第三層金屬相當(dāng)于地板，因此用金屬柱將輻射槽和接地板連在一起。第二，四，五，六，七的金屬蝕刻形成空氣隙，由兩個(gè)長(zhǎng)方體組成，形狀類似于“凸”字，如圖5所示。這兩個(gè)長(zhǎng)方體的尺寸分別是L9×W7×h1, L10×W8×h1?？諝庀吨饕饔檬窃黾咏橘|(zhì)層的厚度，展寬帶寬。另外，由于金屬層只是蝕刻去一部分，可以加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表格1。

圖2 立體結(jié)構(gòu)圖

圖3 第一層微帶線

圖4 第三層輻射槽

圖5 第2，4，5，6，7層的空氣隙

表1 單層錐形槽的尺寸

2.1.2 天線的仿真結(jié)果

使用Ansoft HFSS 9.0和 CST 2005軟件對(duì)這種天線模型進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。反射系數(shù)小于-10dB的帶寬僅從40GHz至52GHz。42GHz和47GHz兩個(gè)諧振點(diǎn)的增益分別為2.1dBi，3.0dBi。兩種軟件的仿真結(jié)果表明很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 單層錐形槽的S11圖

2.2 雙層槽天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單層槽天線的仿真結(jié)果不能滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)帶寬的要求。為了進(jìn)一步展寬帶寬，考慮到此類天線主要由直線漸變縫隙輻射，因此在原來(lái)的基礎(chǔ)上，將第五層金屬蝕刻成另一個(gè)不同尺寸的錐形槽，見(jiàn)圖7。結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表格2。

圖7 第五層錐形槽

表2 第五層錐形槽尺寸

2.2.2 天線的仿真結(jié)果

同樣，我們使用Ansoft HFSS 9.0和 CST 2005兩種軟件對(duì)天線模型進(jìn)行了仿真，見(jiàn)圖9。從S11圖可以看出雙層的錐形槽大大展寬了帶寬，反射系數(shù)小于-10dB的帶寬從33GHz－60GHz，覆蓋毫米波低頻段。在三個(gè)諧振點(diǎn)39GHz，42.6GHz，52.7GHz的增益分別為2.1dBi，3.0dBi，3.2dBi，方向圖如下所示。

圖8 雙層錐形槽的S11圖

(a) f=39GHz (b) f=42.6GHz (c) f=52.7GHz

圖9 天線的方向圖(phi=0^o)

從圖9可以看出，錐形槽天線顯示出明顯的多頻特性。諧振點(diǎn)的位置主要有漸變縫隙的長(zhǎng)度決定，當(dāng)漸變縫隙的長(zhǎng)度變長(zhǎng)時(shí)，同一頻段的諧振點(diǎn)變多。而且，漸變縫隙的張角對(duì)諧振點(diǎn)的回波損耗值有影響。通過(guò)方向圖發(fā)現(xiàn)，此類天線具有十分穩(wěn)定的方向圖，隨著頻率的升高，天線的方向性在逐漸增強(qiáng)，波束寬度在變窄但波束指向始終不變。

3 結(jié)論

本文基于LCP電路工藝，提出了一種毫米波段的超寬帶錐形槽天線。為了進(jìn)一步展寬帶寬，首次提出用兩個(gè)錐形槽相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。帶金屬地板的結(jié)構(gòu)可以有效抑制天線的后向輻射。設(shè)計(jì)的結(jié)果表明，該天線可以工作在33GHz－60GHz，整個(gè)工作帶寬內(nèi)方向圖基本一致。由于天線是橢圓極化，因此可以工作在復(fù)雜的環(huán)境中。該研究表明，LCP電路工藝適合發(fā)展低成本，重量輕和高性能的毫米波天線。