【無線射頻天線】-多層LCP技術的毫米波段超寬帶槽天線設計

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----多層LCP技術的毫米波段超寬帶槽天線設計1、引言

無線寬帶通信的迅猛進展需要能傳輸高比特率的新型寬帶天線。毫米波段是短距離高比特率無線通信的重要波段。所以近年來，毫米波段小型高性能的超寬帶天線吸引了大量的討論人員在這方面進行討論工作。

天線設計的另一個重要趨勢是集成天線的射頻前端電路。在過去幾年中，低溫共燒陶瓷技術(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(shù)會導致阻抗帶寬較窄和明顯的表面波，并不是一種抱負的用于天線集成的材料。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，特別適用于制造微波，毫米波設備，因而有很好的應用前景。其優(yōu)點如下：低損耗（頻率為60GHz時，損耗角正切值0.002-0.004），敏捷性，密封性（吸水率小于0.004％）[1]。正是基于以上優(yōu)點，LCP可用于制造高頻器件。

2、超寬帶槽天線設計

2.1單層槽天線的結構設計

錐形槽天線是一種重要的超寬帶天線類型,顯示了一些優(yōu)點如寬帶和高增益。此類天線的基本設計原則。在傳統(tǒng)的錐形槽天線中接地板是沒有使用的，能源輻射到錐形槽的兩側。在設計集成天線，一般需要把天線安裝在金屬地板之上，但是金屬板會嚴峻影響天線性能，如削減工作帶寬。因此，帶地板的錐形槽天線設計是一項重要的工作和嚴峻的挑戰(zhàn)。

圖１是LCP工藝結構的側視圖。電路板由８層金屬和７層介質組成，厚度分別為h1=50m，h2=18m，介質層的相對介電常數(shù)是2.9。

?圖1LCP工藝結構圖

我們基于多層LCP電路板設計帶地板的掩蓋毫米波低頻段的超寬帶槽天線。立體結構如圖２所示。能量通過最上層的微帶線饋入天線，線性錐形槽放在第三層金屬上，通過微帶－槽線將能量從饋線耦合到輻射槽，見圖4。對于微帶饋線來講，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。其次，四，五，六，七的金屬蝕刻形成空氣隙，由兩個長方體組成，外形類似于"凸'字，如圖5所示。這兩個長方體的尺寸分別是L9W7h1,L10W8h1?？諝庀吨饕饔檬窃黾咏橘|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)化后的結構尺寸見表格1。

?圖2立體結構圖

?圖3第一層微帶線

?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

L1

8.80mm

d2

0.10mm

L2

0.32mm

d3

0.2mm

L3

13.50mm

d4

3.52mm

W1

6.75mm

d5

0.20mm

W2

11.50mm

d6

0.50mm

L4

7.00mm

L9

9.00mm

L5

7.30mm

L10

11.50mm

W3

1.00mm

W7

1.25mm

W4

1.00mm

W8

9.00mm

d1

8.50mm

2.1.2天線的仿真結果

使用AnsoftHFSS和CST軟件對這種天線模型進行了仿真,仿真結果如圖6所示。反射系數(shù)小于-10dB的帶寬僅從40GHz至52GHz。42GHz和47GHz兩個諧振點的增益分別為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雙層槽天線的結構設計

單層槽天線的仿真結果不能滿意實際應用對帶寬的要求。為了進一步展寬帶寬，考慮到此類天線主要由直線漸變縫隙輻射，因此在原來的基礎上，將第五層金屬蝕刻成另一個不同尺寸的錐形槽，見圖7。結構尺寸見表格2。

?圖7第五層錐形槽

表2第五層錐形槽尺寸

d3

0.2mm

L6

10.00mm

d4

3.52mm

L7

3.50mm

d5

0.20mm

L8

7.00mm

d6

0.50mm

W5

1.20mm

d7

8.20mm

W6

1.20mm

d8

0.20mm

2.2.2天線的仿真結果

同樣，我們使用AnsoftHFSS和CST兩種軟件對天線模型進行了仿真，見圖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(shù)小于-10dB的帶寬從33GHz－60GHz，掩蓋毫米波低頻段。在三個諧振點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

?圖9天線的方向圖(phi=0o)

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

從圖9可以看出，錐形槽天線顯示出明顯的多頻特性。諧振點的位置主要有漸變縫隙的長度打算，當漸變縫隙的長度變長時，同一頻段的諧振點變多。而且，漸變縫隙的張角對諧振點的回波損耗值有影響。通過方向圖發(fā)覺，此類天線具有非常穩(wěn)定的方向圖，隨著頻率的上升，天線的方向性在漸漸增加，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。為了進一步展寬帶寬，首次提出用兩個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