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多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2018-04-25 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】無(wú)線(xiàn)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(xiàn)。毫米波段是短距離高比特率無(wú)線(xiàn)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(xiàn)吸引了大量的研究人員在這方面進(jìn)行研究工作。
 
1、引言
 
無(wú)線(xiàn)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(xiàn)。毫米波段是短距離高比特率無(wú)線(xiàn)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(xiàn)吸引了大量的研究人員在這方面進(jìn)行研究工作。
 
天線(xiàn)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要趨勢(shì)是集成天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)
 
2.1 單層槽天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
錐形槽天線(xiàn)是一種重要的超寬帶天線(xiàn)類(lèi)型,顯示了一些優(yōu)點(diǎn)如寬帶和高增益。此類(lèi)天線(xiàn)的基本設(shè)計(jì)原則。在傳統(tǒng)的錐形槽天線(xiàn)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(xiàn),一般需要把天線(xiàn)安裝在金屬地板之上,但是金屬板會(huì)嚴(yán)重影響天線(xiàn)性能,如減少工作帶寬。因此,帶地板的錐形槽天線(xiàn)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。
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
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(xiàn)。立體結(jié)構(gòu)如圖2所示。能量通過(guò)最上層的微帶線(xiàn)饋入天線(xiàn),線(xiàn)性錐形槽放在第三層金屬上,通過(guò)微帶-槽線(xiàn)將能量從饋線(xiàn)耦合到輻射槽,見(jiàn)圖4。對(duì)于微帶饋線(xiàn)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(lèi)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。
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
圖2 立體結(jié)構(gòu)圖
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
圖3 第一層微帶線(xiàn)
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
圖4 第三層輻射槽
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
圖5 第2,4,5,6,7層的空氣隙
 
表1 單層錐形槽的尺寸
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
 
2.1.2 天線(xiàn)的仿真結(jié)果
使用Ansoft HFSS 和 CST 軟件對(duì)這種天線(xiàn)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。
 
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
 
圖6 單層錐形槽的S11圖
 
2.2 雙層槽天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
單層槽天線(xiàn)的仿真結(jié)果不能滿(mǎn)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(lèi)天線(xiàn)主要由直線(xiàn)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。
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
圖7 第五層錐形槽
 
表2 第五層錐形槽尺寸
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
 
2.2.2 天線(xiàn)的仿真結(jié)果
 
同樣,我們使用Ansoft HFSS和 CST兩種軟件對(duì)天線(xiàn)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。
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
圖8 雙層錐形槽的S11圖
 
多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)設(shè)計(jì)
(a) f=39GHz (b) f=42.6GHz (c) f=52.7GHz
 
圖9 天線(xiàn)的方向圖(phi=0o)
 
從圖9可以看出,錐形槽天線(xiàn)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(lèi)天線(xiàn)具有十分穩(wěn)定的方向圖,隨著頻率的升高,天線(xiàn)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(xiàn)。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(xiàn)的后向輻射。設(shè)計(jì)的結(jié)果表明,該天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。
 
 
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