基于多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線(xiàn)

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)設計的另一個(gè)重要趨勢是集成天線(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由于其相對較高的介電常數會(huì )導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，毫米波設備，因而有很好的應用前景。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)設計

2.1 單層槽天線(xiàn)的結構設計

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)的基本設計原則。在傳統的錐形槽天線(xiàn)中接地板是沒(méi)有使用的，能源輻射到錐形槽的兩側。在設計集成天線(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)設計是一項重要的工作和嚴峻的挑戰。

圖１是LCP工藝結構的側視圖。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)層的相對介電常數是2.9。

圖1 LCP工藝結構圖

我們基于多層LCP電路板設計帶地板的覆蓋毫米波低頻段的超寬帶槽天線(xiàn)。立體結構如圖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。對于微帶饋線(xiàn)來(lái)講，第三層金屬相當于地板，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(cháng)方體組成，形狀類(lèi)似于“凸”字，如圖5所示。這兩個(gè)長(cháng)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，可以加強機械強度。優(yōu)化后的結構尺寸見(jiàn)表格1。

圖2 立體結構圖

圖3 第一層微帶線(xiàn)

圖4 第三層輻射槽

圖5 第2，4，5，6，7層的空氣隙

表1 單層錐形槽的尺寸

2.1.2 天線(xiàn)的仿真結果

使用Ansoft HFSS 9.0和 CST 2005軟件對這種天線(xiàn)模型進(jìn)行了仿真,仿真結果如圖6所示。反射系數小于-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。兩種軟件的仿真結果表明很難達到設計要求。

圖6 單層錐形槽的S11圖

2.2 雙層槽天線(xiàn)的結構設計

單層槽天線(xiàn)的仿真結果不能滿(mǎn)足實(shí)際應用對帶寬的要求。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。結構尺寸見(jiàn)表格2。

圖7 第五層錐形槽

表2 第五層錐形槽尺寸

2.2.2 天線(xiàn)的仿真結果

同樣，我們使用Ansoft HFSS 9.0和 CST 2005兩種軟件對天線(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。

圖8 雙層錐形槽的S11圖

(a) f=39GHz (b) f=42.6GHz (c) f=52.7GHz

圖9 天線(xiàn)的方向圖(phi=0^o)

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(cháng)度決定，當漸變縫隙的長(cháng)度變長(cháng)時(shí)，同一頻段的諧振點(diǎn)變多。而且，漸變縫隙的張角對諧振點(diǎn)的回波損耗值有影響。通過(guò)方向圖發(fā)現，此類(lèi)天線(xiàn)具有十分穩定的方向圖，隨著(zhù)頻率的升高，天線(xiàn)的方向性在逐漸增強，波束寬度在變窄但波束指向始終不變。

3 結論

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)錐形槽相結合的設計方案。帶金屬地板的結構可以有效抑制天線(xiàn)的后向輻射。設計的結果表明，該天線(xiàn)可以工作在33GHz－60GHz，整個(gè)工作帶寬內方向圖基本一致。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)。