基于LTCC的S頻段新型耐高溫天線設計

劉秀祥,秦永強,趙 良,曾貴明

(北京臨近空間飛行器系統工程研究所,北京 100076)

1 引 言

隨著現代通信系統的快速發展,作為收發設備的天線也取得了長足的進步。天線設計正在朝著小型化、寬帶化不斷推進,同時在設計過程中也出現了多種新的設計方法和工藝。其中低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)技術就是一種非常具有代表性的新工藝,而且已經應用到標簽天線、芯片天線和收發前端等[1-3]方面,具有重量輕、電氣特性穩定、高靈敏度等優點,并對天線的改進設計[4-5]、小型化設計[6-7]起到了很大的推動作用,提高了天線輻射性能,減小了外形尺寸。作為一種新型的電子材料,LTCC具有高耐溫性、高熱傳導率、高Q值等諸多優點,文獻[8]中對環境溫度變化引起的材料介電常數變化和天線諧振頻率特性進行了詳細分析。但目前所設計的LTCC天線僅考慮在較低的環境溫度下工作,尚未充分發揮LTCC材料的耐高溫特性,開展高溫環境下的天線設計非常必要。

本文需要設計的耐高溫貼片天線由于工作在較高的環境溫度條件下,而一般貼片天線使用的介質材料只能承受180℃,無法滿足使用要求,因而選擇了LTCC材料,其能夠承受的最高溫度可達400℃左右。但該材料的介電常數遠高于一般貼片天線的介質材料,采用通常設計形式時天線諧振頻率附近能量反射很小,但同時導致天線可工作的帶寬較小;此外,環境溫度還會對材料的電性能產生影響,LTCC材料的介電常數會隨著溫度的升高而增大,使天線的諧振頻率發生一定程度的偏移,嚴重情況下甚至會導致天線無法正常工作。為了克服以上問題,基于LTCC的S頻段耐高溫天線,在傳統貼片天線設計形式的基礎上,通過附加兩層耦合貼片、采用階梯阻抗變換饋電等方法,提高了天線的工作帶寬,滿足了高溫條件下天線能夠正常工作的要求。

2 天線設計

2.1 天線的設計形式

基于LTCC的S頻段耐高溫天線采用貼片天線的設計思路,具體的天線結構如圖1所示。由主輻射單元、下層介質、接地板以及饋線結構組成天線的主體,為了展寬天線的頻帶,增加了兩個耦合貼片層。其中耦合貼片層1內的矩形貼片能夠顯著降低天線諧振頻點附近的回波損耗,而耦合貼片層2內的兩個耦合圓環可以有效調節天線的諧振頻點。通過兩層耦合貼片的方法,大幅提高了天線可工作的頻率范圍,從而保證高溫引起諧振頻率偏移時,該天線依然能夠正常工作。

圖1 天線的設計形式Fig.1 Structure of the antenna

2.2 天線的結構尺寸

基于LTCC的S頻段耐高溫天線采用多層LTCC材料作為介質層,其介電常數為5.7,每層層厚為0.096 5 mm,損耗因子為 2×10-3(1～100GHz),導體厚度為0.010～0.012 mm。參照文獻[8]中的相似材料,25℃時相對介電常數的溫度系數為136 ppm/K,熱膨脹系數為6.3 ppm/K。可見該材料的損耗很小,加工精度高,并且可工作的溫度范圍也遠高于普通的貼片天線,能夠承受的最高環境溫度可達400℃左右,而熱膨脹系數很小,對天線的整體尺寸影響可以忽略。但當環境溫度升高到400℃時,介電常數會提高0.3左右,直接引起天線的諧振頻率降低數十兆赫,對于普通的窄帶LTCC天線影響極為嚴重。本文設計的S頻段LTCC耐高溫天線整體外形尺寸為40 mm×40 mm×3.377 5 mm,天線下層介質共7層,總厚度h為0.675 5 mm;中層介質共14層,總厚度為1.351 mm;上層介質共14層,總厚度為1.351 mm。

2.2.1 主輻射單元

主輻射單元依據貼片天線的設計思想,采用長方形貼片,長、寬分別為22 mm和21.5 mm,略小于天線工作波長λ的四分之一。工作波長λ的計算方法如下:

式中,c為電磁波在真空中的傳播速度,f為天線工作的中心頻率。

2.2.2 耦合貼片

文獻[9]和[10]中指出,展寬阻抗頻帶的一條有效途徑是附加耦合貼片,可以采用共面配置,也可以采用上下配置。本文設計了兩個耦合貼片層,均采用上下配置方式,其中耦合貼片層1為一矩形貼片;耦合貼片層2為兩個耦合圓環,大圓環的外半徑為19 mm,圓環寬度為3 mm,中心周長約等于一個工作波長,可以有效地降低天線在諧振頻率的回波損耗,小圓環的外半徑為10 mm。通過調整小圓環的寬度,會在天線原有諧振頻率附近增加一個諧振點。而耦合貼片層1內的矩形貼片尺寸,可以顯著降低天線在諧振頻率附近的回波損耗。合理調整兩層耦合貼片的結構尺寸,能夠有效地展寬天線的工作帶寬,從而克服LTCC材料工作頻帶窄以及高溫引起諧振頻率偏移等問題。

2.2.3 微帶饋線

天線的饋源為微帶結構,寬度w為0.88 mm,由文獻[11]可知,當介質的相對介電常數為5.7時,w/h=1.3所對應的特性阻抗 Zc約為50 Ψ,能夠很好地與饋電端口匹配。同時,為了減小微帶與主輻射單元之間的能量反射,采用階梯阻抗變換的設計思想,即微帶結構呈階梯狀與主輻射單元相接,具體結構如圖2所示。

圖2 階梯阻抗變換結構Fig.2 Structure of stepped impedance transformation

3 天線帶寬分析

3.1 雙諧振點對天線帶寬的影響

利用Ansoft HFSS 13.0仿真軟件對基于LTCC的S頻段耐高溫天線進行仿真計算。首先針對LTCC材料因其自身高Q值特性而導致可用工作頻帶變窄的問題,分析了僅有耦合貼片層2時雙圓環設計對天線諧振點的影響。該設計的主要目的是通過增加的兩個耦合圓環,在天線原有諧振頻率附近,新增一個諧振點。圖3中給出了雙耦合圓環對天線諧振頻點的影響。其中大圓環可以保證天線在2.7 GHz時匹配良好;而小圓環使天線在2.65GHz左右,又增加了一個諧振點,合理地對耦合結構進行設計,可以使兩個諧振點相對靠近,形成一個可用的頻率范圍,從而達到增加天線帶寬的目的。

圖3 雙耦合圓環對天線帶寬的影響Fig.3 Antenna bandwidth after introducing the dual-coupled circle

3.2 矩形貼片對天線帶寬的影響

為了進一步減小天線在諧振頻率附近的回波損耗,S頻段LTCC天線采用了兩層耦合貼片的方法,除雙耦合圓環外,還在天線的最頂層增加了矩形貼片。該貼片的作用是降低天線在諧振點附近的能量反射,減小材料自身高Q值帶來的窄帶影響,如圖4所示。與圖3中的數值結果對比可知,高Q值會引起S11曲線的陡峭變化,而矩形貼片在很大程度上減緩了曲線的上升與下降過程。該方法為下一步調整結構尺寸,進而展寬耐高溫天線的工作帶寬,滿足高溫環境下的工作要求提供了有效途徑。

圖4 矩形貼片對天線帶寬的影響Fig.4 Antenna bandwidth after introducing the rectangular patch

4 耐高溫分析

通過以上的數值分析,對S頻段LTCC耐高溫天線的結構尺寸進行合理調整,使天線可以工作在一個較寬的頻率范圍內。然后針對高溫環境會使LTCC材料的介電常數升高,引起天線諧振頻率偏移的問題,仿真該天線在高介電常數狀態下的回波損耗。為了滿足使用要求,可以取高低溫狀態下可用工作帶寬的交集部分。圖5中給出了調整耦合貼片尺寸后S11的高低溫曲線,其中耦合小圓環的寬度定為3 mm,使圓環的中心周長約為半個工作波長;階梯阻抗變換線的長寬分別定為1 mm×1.5 mm和0.5 mm×1 mm。由圖可見,合理調整結構尺寸后,基于LTCC的S頻段耐高溫天線工作帶寬有了明顯提高,能夠有效避免因溫度升高而使天線諧振頻率的偏移超出原有工作帶寬的現象。當天線工作的中心頻率為2.67 GHz、工作環境溫度為25℃到400℃時,可用帶寬為100 MHz(S11≤-10 dB),在工作頻帶內能量反射非常小,部分發揮了LTCC技術高Q值的特點。

圖5 高低溫狀態下的天線回波損耗Fig.5 Antenna return loss in the high or low temperature

基于LTCC的S頻段耐高溫天線在高低溫狀態下的二維輻射方向圖如圖6所示,由圖可以得出,該天線的最大輻射方向為0°附近,最高增益大于5 dB,輻射特性與傳統的微帶天線一致,并且 T等于25℃到400℃時兩個輻射方向圖幾乎重合,可見LTCC耐高溫天線的方向性受溫度影響很小,輻射性能穩定。

圖6 天線在高低溫狀態下的二維輻射方向圖Fig.6 Radiation pattern in the high or low temperature

5 結束語

本文基于LTCC技術,首次將該材料應用到耐高溫天線方面,采用傳統的貼片天線設計形式,實現了S頻段耐高溫天線的設計,并對天線在高低溫狀態下的電性能進行了分析,仿真結果表明利用LTCC材料可以大幅提高天線能夠承受的環境溫度,有效地拓展了LTCC天線的應用范圍。但目前天線可用的工作帶寬依然偏窄,無法滿足寬帶的使用要求,增加天線帶寬將是后續的研究重點,同時還需要開展天線在高低溫狀態下的實驗考核,驗證仿真結果的正確性。

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