一種基于LTCC的脊喇叭天線陣列設計

方　鑫,肯　諾,張　玲,王　慷

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種基于LTCC的脊喇叭天線陣列設計

方鑫,肯諾,張玲,王慷

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：設計了一種基于低溫共燒陶瓷技術(LTCC)的Ka波段喇叭天線陣列。該天線利用LTCC工藝的特點,采用了通孔來實現波導脊的設計,使得脊喇叭天線得以實現。喇叭口處設計了介質塊進行相位修正,使得天線獲得較寬的帶寬。利用微帶線和介質集成波導(SIW)進行饋電,組成4×1的陣列進行仿真,陣列帶寬為21.7%,方向圖在頻段內穩定,適合用于各種集成端射天線輻射系統。

關鍵詞:喇叭天線；波導脊；陣列設計；低溫共燒陶瓷

0引言

近年來,低溫共燒陶瓷(LTCC)技術不斷發展,已經成為微波毫米波高密度集成技術研究發展的熱點,廣泛應用于電子模塊和整機中[1-2]。 LTCC材料具有介電常數高、損耗低、介質性能穩定等特性,其技術更具有靈活的設計方法,可以將微帶、波導等傳輸線或電路組合在同一個三維立體微波結構中,從而提高可靠性和集成度。

喇叭天線因其較大增益和良好方向性而獲得廣泛的應用。然而,傳統的喇叭天線比較笨重,難以與網絡等進行集成。文獻[3-4]利用介質完成了介質集成H型喇叭天線的設計,結構新穎,適合集成。照此,本文基于LTCC技術,利用通孔的靈活性設計了一種脊喇叭天線陣列。

本文首先介紹了Ka頻段的LTCC脊喇叭天線單元的結構設計,證實了該天線的可行性及優勢；然后設計SIW的功分網絡作為4×1陣列的饋電網絡,并將天線和網絡組成整體利用Ansoft HFSS進行仿真計算；最后總結了所有的設計仿真結果和可發展性。

1脊喇叭天線陣列

1.1　天線單元設計

天線單元結構使用Ferro A6-M介質,其介電常數εr=6,損耗角為tanδ=0.002.每層LTCC介質厚度為h=0.1 mm,金屬導體的厚度為0.008 mm。該喇叭天線利用介質集成波導饋電,金屬通孔和金屬帶組合作為波導墻和喇叭兩側壁,并利用金屬通孔和金屬帶的靈活性設計了脊狀結構,如圖1所示。在天線口徑處設計一介質加載,修正輻射相位,達到寬帶和提高增益的作用[3]。

(a) 天線單元俯視圖

(b) 天線單元剖面圖

天線單元結構從頂層到底層共20層,金屬通孔直徑應小于等于工作波長的十分之一,孔心距小于等于二倍孔直徑[5]。根據LTCC工藝選取通孔直徑為0.15 mm,通孔之間的距離為0.4 mm。其喇叭天線包含由通孔穿透的層數從6層漸變到1層組成的漸變階梯型脊,天線的優化尺寸如圖1中所示。加載階梯脊的設計有助于提高帶寬和小型化性能[6-8]。

由于LTCC的介質材料介電常數較高,喇叭天線口徑處的相位差較大,造成能量很難輻射出來,帶寬較窄,也是造成高頻方向圖分裂的一個原因。本文通過加載介質透鏡的方法,降低口徑相位差,改善天線的輻射方向圖,與階梯脊共同作用提高了天線的帶寬和增益,也達到了天線小型化的設計。

加載介質的寬度與喇叭口同寬為5 mm,厚度與喇叭同厚度為2 mm。針對介質延伸長度進行優化分析,其仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2　加載介質對天線駐波影響

圖3　加載介質對天線仿真增益的影響

由于Ansoft HFSS計算增益時不考慮駐波影響,在一定范圍內其增益隨著加載介質的長度增加而增加。設計時綜合考慮其駐波的影響,d1取值2.5 mm。

1.2　SIW饋電網絡

為了組成陣列,設計了介質集成波導(SIW)饋電網絡,如圖4所示。在SIW傳輸的拐點處均加入了探針和金屬焊盤,減少能量的傳輸損耗,起到匹配作用。同時,在波導口處設計了SIW到微帶線的過渡。SIW的上表金屬面漸變到微帶線,下表金屬面延伸作為微帶線的地板,最后以50 Ω微帶線進行饋電。

圖中d1、d2、d3代表功分器各拐點處離邊的距離。利用HFSS對該參數進行優化,最終選取探針直徑為0.3 mm,d1=1.13 mm,d2=0.95 mm,d3=0.85 mm。仿真結果如圖5所示。

圖4　SIW饋電網絡

圖5　SIW網絡仿真結果

1.3　4×1天線陣列的設計

將4個天線單元與一分四SIW功分器結合組成4×1天線陣列,單元間距為6 mm,約為0.7λ。整個天線陣列由20層LTCC介質組成,設計了SIW到微帶線的過渡作為測試端口。每個天線單元口徑處均切割成獨立的模塊。仿真結構如圖6所示。

(a) 俯視圖 (b) 側視圖

2仿真結果

天線陣列利用Ansoft HFSS進行仿真優化,仿真結果如圖7、圖8所示。回波損耗|S11|≤-10 dB的帶寬為30.8～38.4 GHz,約為21.7%。

天線陣列工作于31、35、38 GHz的輻射方向圖如圖5所示。天線輻射方向圖在整個工作頻帶內穩定良好。由于天線為H型喇叭天線組成4×1的陣列,所以35 GHz時波束寬度為E面120、H面18、35 GHz的增益約為11.7 dBi。

圖7　天線陣列的回波損耗和增益

圖8　天線陣列的輻射方向圖

3結束語

本文基于LTCC技術采用微帶線至介質集成波導饋電,利用通孔靈活性設計了喇叭天線的階梯脊結構,并加載介質塊實現了一個4×1的脊喇叭天線陣設計。對加載介質的尺寸進行了優化分析,選取最佳尺寸,其仿真性能良好；駐波帶寬21.7%,端射增益為11.7 dBi,方向圖在整個頻帶內穩定良好。較高的LTCC加工精度滿足了天線設計要求。該天線設計適合各類端射系統的應用。

參考文獻:

[1]王悅輝,周濟,崔學民,等.低溫共燒陶瓷無源集成技術及其應用[J].材料導報,2005(5).

[2]楊邦朝,胡永達.LTCC技術的現狀和發展[J].電子元件與材料,2014(11).

[3]H Wang,D G Fang.Dielectric loaded substrate integrated waveguide H-planr horn antennas[J].IEEE Trans.on Antennas & Propagation,2009,57(4):1050-1056.

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[6]張光甫,王建朋,張躍元.角錐 TEM 雙脊喇叭天線研究//全國微波毫米波會議論文集,2003.

[7]Hradecky Z,Holub A.Broadband TEM horn antenna with dielectric lens for UWB measurement//EuCAP 2009.3rd European Conference on Antennas and Propagation ,2009.

[8]何山紅.分析寬頻帶、雙極化、橫束寬四脊喇叭的混合方法[J].電波科學學報,2002,17(2):160-165.

Design of a LTCC-based ridge horn antenna array

FANG Xin, KEN Nuo, ZHANG Ling, WANG Kang

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Abstract:A Ka-band ridge horn antenna array is designed based on the low temperature co-fired ceramic (LTCC). Based on the features of the LTCC technology, the waveguide ridge is designed with the metal holes to realize the ridge horn antenna. The dielectric block is adopted at the antenna aperture for the phase correction to make the antenna obtain wide bandwidth. Fed by the micro-strip line and the substrate integrated waveguide (SIW), the 4×1 array is formed and simulated, which indicates that the array bandwidth is 21.7 %, the pattern is stable in the frequency band, and it is applicable to various integrated end-fire antenna radiation systems.

Keywords:horn antenna; waveguide ridge; array design; LTCC

中圖分類號:TN820.15

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2015)04-0046-04

作者簡介:方鑫(1989-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：天饋系統；肯諾(1975-)，男，高級工程師，研究方向：天饋系統；張玲(1988-)，女，助理工程師，碩士，研究方向：接收系統；王慷(1990-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：天饋系統。

收稿日期：2015-03-11；修回日期：2015-04-02