基于LTCC超材料基板的小型化V波段毫米波微帶天線設(shè)計(jì)

劉振哲 汪 澎

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高增益、寬頻帶的毫米波天線，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、車載雷達(dá)、機(jī)載天線等商業(yè)、軍事領(lǐng)域[1]。毫米波微帶天線因具有體積小、重量輕、剖面薄、饋電方式靈活，在霧、雪和塵埃等氣候條件下有良好的傳播特性等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞。目前，V波段中76GHz～77GHz被應(yīng)用于汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的避撞雷達(dá)，這就對(duì)毫米波微帶天線的尺寸小型化提出了更高的要求[2]。

提高介質(zhì)基板的特征參數(shù)(μr，εr)是實(shí)現(xiàn)微帶天線小型化的重要途徑[3]。由于表面波效應(yīng)，高介電常數(shù)基板存在輻射效率低，阻抗匹配困難等問(wèn)題。高磁導(dǎo)率材料基板被用來(lái)替代高介電常數(shù)材料基板[4]。然而磁性材料存在笨重、損耗大、千兆頻段后磁性衰減等缺點(diǎn)，不適于毫米波領(lǐng)域的應(yīng)用，但近年來(lái)蓬勃發(fā)展的超材料(metamaterials)對(duì)解決此問(wèn)題帶來(lái)無(wú)限的生機(jī)。

超材料可以實(shí)現(xiàn)豐富廣泛的介電常數(shù)值和磁導(dǎo)率值，達(dá)到許多自然材料不能達(dá)到的值域空間，甚至可以控制材料在空間的非均勻分布，從而實(shí)現(xiàn)許多常規(guī)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性質(zhì)和功能[5]。本文采用超材料即通過(guò)微金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁諧振來(lái)獲得具有高等效電磁參數(shù)的介質(zhì)，應(yīng)用LTCC超材料基板，設(shè)計(jì)了一款工作在76GHz～77GHz的小型化V波段毫米波微帶天線。

2 S參數(shù)提取法

超材料的特性分析，首先是從等效媒質(zhì)參數(shù)入手，S參數(shù)提取法[6]目前已經(jīng)被廣泛用來(lái)分析超材料的電磁特性行為。磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε與n和z之間的關(guān)系為[7]:

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，折射率 n和波阻抗 z可以通過(guò)以下兩個(gè)公式計(jì)算:

由于考慮的是無(wú)源介質(zhì)，上式的符號(hào)由以下條件決定:z'和n″分別代表z的實(shí)部和 n的虛部。

上式中，n和z是分別來(lái)求取的，以致在求解 n的過(guò)程中就會(huì)遇到很多麻煩，比如余弦函數(shù)的多值問(wèn)題以及正負(fù)號(hào)的確定等問(wèn)題。借助改進(jìn)的基于S參數(shù)的參數(shù)提取法[8]，先求解 z，然后再由下式求解 n。

該方法利用了各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系來(lái)提取參數(shù)，而不是通常的利用 S參數(shù)來(lái)單獨(dú)提取各個(gè)參數(shù)，從而保證了參數(shù)提取結(jié)果的一致性。

3 LTCC超材料基板設(shè)計(jì)

單負(fù)磁導(dǎo)率媒質(zhì)可以通過(guò)開口諧振環(huán)(Split Ring Resonator，簡(jiǎn)稱SRR)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)磁場(chǎng)垂直于諧振環(huán)平面入射時(shí)，會(huì)激起強(qiáng)烈的磁諧振。在低于磁諧振頻率附近，SRR表現(xiàn)出大的磁導(dǎo)率，在磁諧振頻率之后磁導(dǎo)率迅速變?yōu)樨?fù)值，并逐漸增大。SRR結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)決定諧振頻率，毫米波頻段要求SRR結(jié)構(gòu)的尺寸小于1mm[9]。

LTCC技術(shù)是一種陶瓷多層基板技術(shù)，采用疊層工藝，易于制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)[10]，非常適用于超材料器件研究所需要的多層復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)的加工和制作。本文采用LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)超材料基板，根據(jù)前人提出的典型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了工作在毫米波段的改進(jìn)SRR結(jié)構(gòu)，微金屬結(jié)構(gòu)被印制在多層基片上，各層之間通過(guò)通孔進(jìn)行上下互連，如圖1所示。

本設(shè)計(jì)中，介質(zhì)基板采用Ferro A6陶瓷薄膜，介電常數(shù)為5.9+j0.0118，磁導(dǎo)率為1。通過(guò)電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化，每一層的厚度 d為100μm，共分三層，總厚度為300μm。每個(gè) SRR結(jié)構(gòu)由兩個(gè)開口諧振環(huán)組成。開口諧振環(huán)金屬線的長(zhǎng)度為360μm，寬度為50μm，金屬線的厚度為10μm，開口間距為50μm，上下兩層金屬線通過(guò)兩個(gè)通孔進(jìn)行互連，通孔的半徑為25μm，兩個(gè)環(huán)之間的距離為250μm。

圖1 LTCC超材料基板

利用三維電磁仿真軟件HFSS來(lái)得到該種材料的S參數(shù)(S11和S21)，根據(jù)改進(jìn)后的S參數(shù)提取方法，提取設(shè)計(jì)的LTCC超材料基板的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。提取的等效電磁參數(shù)如圖2所示。從圖2中可以看出，SRR結(jié)構(gòu)諧振頻率為80GHz，在諧振點(diǎn)附近μr和εr虛部不為零，說(shuō)明損耗很大，因此天線的工作頻率一般要選擇低于諧振頻率。在76 GHz～77GHz，LTCC基板具有高的等效介電常數(shù)(εr＞22)和等效磁導(dǎo)率(μr＞1.2)，從而可以有效實(shí)現(xiàn)微帶天線的小型化。

圖2 LTCC基板介質(zhì)材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率

4 V波段毫米波微帶天線設(shè)計(jì)

基于以上的LTCC超材料基板，本文設(shè)計(jì)了一款V波段毫米波矩形微帶天線。該天線工作在76GHz～77GHz，采用同軸饋電方式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。貼片的長(zhǎng)度(L)為 350μm，寬度(W)為360μm，厚度為10μm。本文對(duì)LTCC基板中是否加入SRR結(jié)構(gòu)的相同尺寸天線進(jìn)行了仿真對(duì)比。

圖3 基于LTCC超材料基板的微帶天線

如圖4(a)所示，所設(shè)計(jì)的微帶天線諧振頻率為76.5GHz，工作帶寬為76 GHz～77GHz，滿足設(shè)計(jì)要求。基板不加載 SRR結(jié)構(gòu)，天線的諧振頻率在120GHz，并且SRR結(jié)構(gòu)對(duì)天線的阻抗匹配影響很大，如圖4(b)所示。為了將諧振頻率調(diào)整到76.5GHz，需要調(diào)整貼片的尺寸到700μm ×800μm，并重新確定饋電位置。調(diào)整后，反射系數(shù)仿真如圖5所示。相同諧振頻率下，是否加載SRR結(jié)構(gòu)的天線增益仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖5可以看出，不加載SRR結(jié)構(gòu)，天線帶寬將達(dá)到10GHz以上，這必然會(huì)引入大量的干擾信號(hào)，導(dǎo)致后續(xù)部分需要額外增加濾波器。通過(guò)在LTCC基板中內(nèi)埋SRR結(jié)構(gòu)，天線尺寸縮小到僅為原來(lái)的22.5%，從圖4(a)、圖5、圖6中可以看出，天線尺寸的大幅減小導(dǎo)致了帶寬和增益的下降。如何在減小天線尺寸的前提下，提高帶寬、增益等指標(biāo)，是當(dāng)今小型化天線的熱點(diǎn)問(wèn)題，也將是我們下一步的研究方向。

圖6 諧振頻率在76.5GHz，天線E面增益和H面增益

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款工作在76GHz～77GHz的V波段LTCC毫米波微帶天線。通過(guò)在LTCC基板中加入改進(jìn)的SRR結(jié)構(gòu)，在指定頻段內(nèi)獲得了高的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，天線尺寸縮小為原來(lái)的22.5%，證實(shí)了超材料基板可以有效減小天線尺寸。該天線適用于汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)避撞雷達(dá)領(lǐng)域，具有廣闊的研究與應(yīng)用價(jià)值。

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