基于LTCC的S频段新型耐高温天线设计

刘秀祥,秦永强,赵 良,曾贵明

(北京临近空间飞行器系统工程研究所,北京 100076)

1 引 言

随着现代通信系统的快速发展,作为收发设备的天线也取得了长足的进步。天线设计正在朝着小型化、宽带化不断推进,同时在设计过程中也出现了多种新的设计方法和工艺。其中低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)技术就是一种非常具有代表性的新工艺,而且已经应用到标签天线、芯片天线和收发前端等[1-3]方面,具有重量轻、电气特性稳定、高灵敏度等优点,并对天线的改进设计[4-5]、小型化设计[6-7]起到了很大的推动作用,提高了天线辐射性能,减小了外形尺寸。作为一种新型的电子材料,LTCC具有高耐温性、高热传导率、高Q值等诸多优点,文献[8]中对环境温度变化引起的材料介电常数变化和天线谐振频率特性进行了详细分析。但目前所设计的LTCC天线仅考虑在较低的环境温度下工作,尚未充分发挥LTCC材料的耐高温特性,开展高温环境下的天线设计非常必要。

本文需要设计的耐高温贴片天线由于工作在较高的环境温度条件下,而一般贴片天线使用的介质材料只能承受180℃,无法满足使用要求,因而选择了LTCC材料,其能够承受的最高温度可达400℃左右。但该材料的介电常数远高于一般贴片天线的介质材料,采用通常设计形式时天线谐振频率附近能量反射很小,但同时导致天线可工作的带宽较小;此外,环境温度还会对材料的电性能产生影响,LTCC材料的介电常数会随着温度的升高而增大,使天线的谐振频率发生一定程度的偏移,严重情况下甚至会导致天线无法正常工作。为了克服以上问题,基于LTCC的S频段耐高温天线,在传统贴片天线设计形式的基础上,通过附加两层耦合贴片、采用阶梯阻抗变换馈电等方法,提高了天线的工作带宽,满足了高温条件下天线能够正常工作的要求。

2 天线设计

2.1 天线的设计形式

基于LTCC的S频段耐高温天线采用贴片天线的设计思路,具体的天线结构如图1所示。由主辐射单元、下层介质、接地板以及馈线结构组成天线的主体,为了展宽天线的频带,增加了两个耦合贴片层。其中耦合贴片层1内的矩形贴片能够显著降低天线谐振频点附近的回波损耗,而耦合贴片层2内的两个耦合圆环可以有效调节天线的谐振频点。通过两层耦合贴片的方法,大幅提高了天线可工作的频率范围,从而保证高温引起谐振频率偏移时,该天线依然能够正常工作。

图1 天线的设计形式Fig.1 Structure of the antenna

2.2 天线的结构尺寸

基于LTCC的S频段耐高温天线采用多层LTCC材料作为介质层,其介电常数为5.7,每层层厚为0.096 5 mm,损耗因子为 2×10-3(1～100GHz),导体厚度为0.010～0.012 mm。参照文献[8]中的相似材料,25℃时相对介电常数的温度系数为136 ppm/K,热膨胀系数为6.3 ppm/K。可见该材料的损耗很小,加工精度高,并且可工作的温度范围也远高于普通的贴片天线,能够承受的最高环境温度可达400℃左右,而热膨胀系数很小,对天线的整体尺寸影响可以忽略。但当环境温度升高到400℃时,介电常数会提高0.3左右,直接引起天线的谐振频率降低数十兆赫,对于普通的窄带LTCC天线影响极为严重。本文设计的S频段LTCC耐高温天线整体外形尺寸为40 mm×40 mm×3.377 5 mm,天线下层介质共7层,总厚度h为0.675 5 mm;中层介质共14层,总厚度为1.351 mm;上层介质共14层,总厚度为1.351 mm。

2.2.1 主辐射单元

主辐射单元依据贴片天线的设计思想,采用长方形贴片,长、宽分别为22 mm和21.5 mm,略小于天线工作波长λ的四分之一。工作波长λ的计算方法如下:

式中,c为电磁波在真空中的传播速度,f为天线工作的中心频率。

2.2.2 耦合贴片

文献[9]和[10]中指出,展宽阻抗频带的一条有效途径是附加耦合贴片,可以采用共面配置,也可以采用上下配置。本文设计了两个耦合贴片层,均采用上下配置方式,其中耦合贴片层1为一矩形贴片;耦合贴片层2为两个耦合圆环,大圆环的外半径为19 mm,圆环宽度为3 mm,中心周长约等于一个工作波长,可以有效地降低天线在谐振频率的回波损耗,小圆环的外半径为10 mm。通过调整小圆环的宽度,会在天线原有谐振频率附近增加一个谐振点。而耦合贴片层1内的矩形贴片尺寸,可以显著降低天线在谐振频率附近的回波损耗。合理调整两层耦合贴片的结构尺寸,能够有效地展宽天线的工作带宽,从而克服LTCC材料工作频带窄以及高温引起谐振频率偏移等问题。

2.2.3 微带馈线

天线的馈源为微带结构,宽度w为0.88 mm,由文献[11]可知,当介质的相对介电常数为5.7时,w/h=1.3所对应的特性阻抗 Zc约为50 Ψ,能够很好地与馈电端口匹配。同时,为了减小微带与主辐射单元之间的能量反射,采用阶梯阻抗变换的设计思想,即微带结构呈阶梯状与主辐射单元相接,具体结构如图2所示。

图2 阶梯阻抗变换结构Fig.2 Structure of stepped impedance transformation

3 天线带宽分析

3.1 双谐振点对天线带宽的影响

利用Ansoft HFSS 13.0仿真软件对基于LTCC的S频段耐高温天线进行仿真计算。首先针对LTCC材料因其自身高Q值特性而导致可用工作频带变窄的问题,分析了仅有耦合贴片层2时双圆环设计对天线谐振点的影响。该设计的主要目的是通过增加的两个耦合圆环,在天线原有谐振频率附近,新增一个谐振点。图3中给出了双耦合圆环对天线谐振频点的影响。其中大圆环可以保证天线在2.7 GHz时匹配良好;而小圆环使天线在2.65GHz左右,又增加了一个谐振点,合理地对耦合结构进行设计,可以使两个谐振点相对靠近,形成一个可用的频率范围,从而达到增加天线带宽的目的。

图3 双耦合圆环对天线带宽的影响Fig.3 Antenna bandwidth after introducing the dual-coupled circle

3.2 矩形贴片对天线带宽的影响

为了进一步减小天线在谐振频率附近的回波损耗,S频段LTCC天线采用了两层耦合贴片的方法,除双耦合圆环外,还在天线的最顶层增加了矩形贴片。该贴片的作用是降低天线在谐振点附近的能量反射,减小材料自身高Q值带来的窄带影响,如图4所示。与图3中的数值结果对比可知,高Q值会引起S11曲线的陡峭变化,而矩形贴片在很大程度上减缓了曲线的上升与下降过程。该方法为下一步调整结构尺寸,进而展宽耐高温天线的工作带宽,满足高温环境下的工作要求提供了有效途径。

图4 矩形贴片对天线带宽的影响Fig.4 Antenna bandwidth after introducing the rectangular patch

4 耐高温分析

通过以上的数值分析,对S频段LTCC耐高温天线的结构尺寸进行合理调整,使天线可以工作在一个较宽的频率范围内。然后针对高温环境会使LTCC材料的介电常数升高,引起天线谐振频率偏移的问题,仿真该天线在高介电常数状态下的回波损耗。为了满足使用要求,可以取高低温状态下可用工作带宽的交集部分。图5中给出了调整耦合贴片尺寸后S11的高低温曲线,其中耦合小圆环的宽度定为3 mm,使圆环的中心周长约为半个工作波长;阶梯阻抗变换线的长宽分别定为1 mm×1.5 mm和0.5 mm×1 mm。由图可见,合理调整结构尺寸后,基于LTCC的S频段耐高温天线工作带宽有了明显提高,能够有效避免因温度升高而使天线谐振频率的偏移超出原有工作带宽的现象。当天线工作的中心频率为2.67 GHz、工作环境温度为25℃到400℃时,可用带宽为100 MHz(S11≤-10 dB),在工作频带内能量反射非常小,部分发挥了LTCC技术高Q值的特点。

图5 高低温状态下的天线回波损耗Fig.5 Antenna return loss in the high or low temperature

基于LTCC的S频段耐高温天线在高低温状态下的二维辐射方向图如图6所示,由图可以得出,该天线的最大辐射方向为0°附近,最高增益大于5 dB,辐射特性与传统的微带天线一致,并且 T等于25℃到400℃时两个辐射方向图几乎重合,可见LTCC耐高温天线的方向性受温度影响很小,辐射性能稳定。

图6 天线在高低温状态下的二维辐射方向图Fig.6 Radiation pattern in the high or low temperature

5 结束语

本文基于LTCC技术,首次将该材料应用到耐高温天线方面,采用传统的贴片天线设计形式,实现了S频段耐高温天线的设计,并对天线在高低温状态下的电性能进行了分析,仿真结果表明利用LTCC材料可以大幅提高天线能够承受的环境温度,有效地拓展了LTCC天线的应用范围。但目前天线可用的工作带宽依然偏窄,无法满足宽带的使用要求,增加天线带宽将是后续的研究重点,同时还需要开展天线在高低温状态下的实验考核,验证仿真结果的正确性。

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