基于LTCC技術的一種高效率輻射單元的研究

高亮，賀彪，何中偉

（華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163）

微帶天線是由一塊厚度遠遠小于波長的介質板和覆蓋在它兩面的金屬片構成的，如圖1所示。其中一片金屬片完全覆蓋介質板的一面，成為接地板，另一塊較小金屬板稱為輻射元。對導體貼片可用各種不同的方法進行饋電，從而使貼片與接地板之間激勵起電磁場，并通過貼片四周的縫隙向外輻射能量。因此，微帶天線也可看作是一種縫隙天線。通常介質基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實現了一維小型化，屬于小天線一類。微帶天線中導體片可以根據不同的需要采用矩形、圓形以及多邊形等不同的形狀，其中矩形微帶貼片天線是最簡單的微帶天線。

圖1 一般性的微帶天線示意圖

微帶天線的饋電分為側饋和底饋兩種[1-2]。所謂側饋是指饋線（通常是微帶傳輸線）從輻射元的側面饋入。底饋是指饋線（通常是同軸線）從微帶天線的底部接入。本文研究的微帶天線單元采用底饋方式。

矩形貼片微帶天線與設計有關參量包括矩形貼片寬度W和長度L、介質板厚度h、介質板的長度Lg和寬度Wg、介質的相對介電常數εr和損耗正切tanδ。

對微帶天線的設計要求，總的來說就是要滿足使用所需的一系列技術指標，其中包括：

（1）工作頻率及頻帶寬度。

（2）方向圖特性，包括方向性系數D、增益G及波束寬度。

（3）阻抗特性，一般以天線輸入端電壓駐波系數或回波損耗小于某一給定值的頻帶范圍表示。

（4）極化特性，線極化時往往給定允許的交叉極化電平，圓極化通常要求軸比。

（5）機械結構要求。

（6）環境條件下的工作特性。

微帶天線的主要優點是體積小，重量輕，剖面低，容易做到與飛行器或其他物體表面共形，結構緊湊，性能可靠。微帶天線的主要缺點是頻帶窄，增益低，損耗大，交叉極化大，功率容量低等。本文通過引入AMC結構，來開展高效率輻射單元的研究。

1 輻射單元的設計

1.1 加載人工材料貼片天線單元

LTCC材料介電常數較高、材料損耗角較高，在LTCC材料上的常規微帶天線帶寬往往小于3%，屬于典型的窄帶天線。在寬溫度范圍使用時，由于窄帶特點導致天線頻帶偏移出要求頻帶，嚴重影響天線陣使用。與此同時高介電常數導致天線陣面存在較強的表面波，天線陣內隔離度顯著降低，嚴重影響天線陣方向特向，形成較高柵瓣等不良結果。

同時在實施組陣時存在大面積金屬反射面問題。嚴重影響系統的集成特性。為緩解上述問題，開展了基于人工材料的天線單元研究，通過人工材料的使用提升天線輻射效率，改善天線帶寬，同時減小金屬面積。

人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）具有結構簡單，容易制備的特點，主要用于提高射頻部件的性能。AMC結構通常由介質基板上周期性排列的金屬貼片構成，具有理想磁壁對平面波的同相位反射特性，可以應用于微帶天線及天線陣列的設計中，可以有效改善天線性能、降低背瓣輻射、提高天線帶寬、提高天線增益及效率。輻射單元由微帶貼片與人工材料結構組成。LTCC的最頂層是微帶線，在微帶線上層與金屬地之間加一層人工材料結構，可提高微帶貼片的輻射性能，從而提高微帶天線的帶寬與增益。人工材料結構是周期性結構，因此可以針對一個人工材料結構單元設置周期邊界條件來模擬人工材料結構的電磁特性，計算出人工材料結構反射相位的模型尺寸。采用6×6的人工材料結構來設計天線單元，同時提高微帶線饋線部分的地板，以減小微帶線的寬度，減小饋線帶來的耦合影響。單元天線結構如圖2所示。

圖2 加載人工材料結構的天線設計示意圖

如圖2所示，天線和人工材料結構的介質層均采用Ferro A6生瓷，介電常數為6，介質損耗角為0.002，每層介質厚度0.096 mm；貼片天線尺寸為a×b=1.3 mm×1.7 mm，天線下方介質大小為7 mm×7 mm，介質厚度為3層（0.288 mm），同軸線饋電的內徑為D_pin=0.15 mm，外徑為0.345 mm，金屬焊盤直徑為D_pade=0.2 mm，如圖3所示，下文所有探針均采用相同尺寸；人工材料結構由金屬地、介質和周期排列的方形金屬片組成，金屬片大小w=0.8 mm，相鄰單元間距g=0.15 mm，介質厚度為3層（0.288 mm）。

圖3 金屬通孔和金屬焊盤示意圖

仿真結果如圖4所示，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.6～40 GHz，相對帶寬為26.8%；37.2 GHz取得最大增益為8.5 dBi，比未加載人工材料結構時天線增益6.3 dBi多了2.2 dBi。

圖4 加載人工材料貼片天線單元的仿真結果圖

1.2 加載人工材料貼片天線單元的尺寸分析

固定貼片天線尺寸b=1.7 mm，改變貼片天線尺寸a，阻抗帶寬和增益變化如圖5所示。

圖5 加載人工材料貼片天線單元a的影響

當a=1.2 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為31.2～38.2 GHz，相對帶寬為20%，最大增益為8.5 dBi，帶內最小增益為6.72 dBi；當a=1.3 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.6～40 GHz，相對帶寬為26.8%，最大增益為8.5 dBi，帶內最小增益為6.66 dBi；當a=1.4 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.4～40 GHz，相對帶寬為27.4%，最大增益為8.44 dBi，帶內最小增益為6.57 dBi；當a=1.5 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30～39.8 GHz，相對帶寬為28%，最大增益為8.48 dBi，帶內最小增益為6.46 dBi。總的來說，a越大，阻抗帶寬越大，諧振最低頻點越向低頻偏移，增益平坦度越差。

固定貼片天線尺寸a=1.3 mm，改變貼片天線尺寸b，阻抗帶寬和增益變化如圖6所示。

圖6 加載人工材料貼片天線單元b的影響

當b=1.6 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為31.6～39.8 GHz，相對帶寬為22.4%，38.4 GHz取得最大增益為8.79 dBi，帶內最小增益為6.78 dBi；當b=1.7 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.8～40 GHz，相對帶寬為26.3%，37.2 GHz取得最大增益為8.51 dBi，帶內最小增益為6.66 dBi；當b=1.8 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.8～40 GHz，相對帶寬為26.3%，36.8 GHz取得最大增益為8.18 dBi，帶內最小增益為6.36 dBi。概括來說，b越大，阻抗帶寬越大，諧振最低頻點越向低頻偏移，增益最大點越向低頻偏移，增益最大值越小，增益平坦度越差。

1.3 加載人工材料貼片天線單元的誤差分析

由于間隙加工誤差在±0.02 mm之內，所以固定人工材料結構金屬片大小w=0.8 mm，改變人工材料相鄰單元間距g，阻抗帶寬和增益變化如圖7所示。

圖7 人工材料結構間隙g的誤差分析

當g=0.13 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為30.2～40 GHz，相對帶寬為28%，36.8 GHz取得最大增益為8.42 dBi，帶內最小增益為6.64 dBi；當g=0.17 mm時，S11低于-10 dB的阻抗帶寬為32.2～40 GHz，相對帶寬為22.3%，37.2 GHz取得最大增益為8.51 dBi，帶內最小增益為6.57 dBi。總的來說，g越大，諧振最低頻點越向高頻偏移，增益最大點越向高頻偏移。g在±0.02 mm加工誤差范圍內時，諧振最低頻點最大偏移2 GHz，增益最大點最多偏移0.4 GHz。

1.4 加載人工材料貼片天線單元的網格地的分析

由于LTCC加工工藝要求，金屬地的面積不能超過70%（超過70%層間易分層或形成縫隙），所以這里采用幾種網格地的方法來替代大面積金屬地。如圖8所示。

圖8 加載人工材料結構天線單元的網格地設計示意圖

（1）單層網格地，網格線寬mesh_w=0.2 mm，網格間隙mesh_g=0.15 mm，金屬地面積為64%。

（2）單層網格地，網格線寬mesh_w=0.1 mm，網格間隙mesh_g=0.25 mm，金屬地面積為13.8%；

（3）相鄰兩層網格地交錯放置，每層網格尺寸和b中網格一致，兩層網格地的間距為0.096 mm（1層）。

（4）在c中相鄰兩層網格地間加載金屬柱，金屬柱直徑為0.1 mm。

上述4種方法仿真結果如圖9所示。與完整金屬地相比，單層64%金屬地略微工作頻帶出現偏移，增益基本不變；單層13.8%金屬地增益出現了明顯降低，最大增益降低了0.35 dBi，最大增益點向低頻偏了0.6 GHz；雙層13.8%金屬地阻抗帶寬驟減，而且增益明顯降低，且出現多處凹口；在雙層13.8%金屬地間加金屬探針，阻抗帶寬基本不變，但帶內略微出現突起，增益略微降低，增益最大值低了0.2 dB。

圖9 4種網格地與完整金屬地的比較分析

針對雙層12.8%金屬地間加金屬探針的網格地，阻抗帶寬帶內出現突起的問題，這里采用優化天線尺寸a進行修正。由圖10所知，當a=1.4 mm時，帶內凹口消失，增益基本不變。

圖10 雙層12.8%金屬地間加金屬探針的優化設計

2 2×2子陣的設計與制造

根據天線單元設計結果，以陣間距6.35 mm設計仿真2×2子陣，模型示意圖如圖11所示，仿真結果如圖12所示。同時加工有無加載人工材料結構2×2子陣，并使用Ferro生瓷及其配套電子漿料分別完成2×2子陣LTCC基板加工，2×2子陣LTCC基板如圖13所示。

圖11 加載人工材料結構的2×2子陣示意圖

圖12 加載人工材料結構的2×2子陣仿真結果

圖13 2×2子陣LTCC基板

3 2×2子陣的測試

將是否加載人工材料結構的子陣測試結果進行對比可以發現，加載人工材料結構的2×2天線子陣，帶寬明顯得到優化，性能達到預期要求，見表1。測試曲線如圖14、圖15所示。

圖14 有無AMC結構的2×2天線子陣駐波測試對比曲線

圖15 有無加載AMC結構的2×2天線子陣增益測試對比曲線

4 結束語

本文開展了基于人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）的天線單元研究，通過加載人工磁導體結構有效展寬天線帶寬并提升增益。通過實物加工后對比有無加載AMC結構的天線測試結果對比，證明加載AMC結構的天線具有高效率輻射特性。