一种新型LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线

摘要

本发明的目的在于提供一种基于LTCC技术的双层单馈圆极化微带贴片阵列天线，包括上、下层LTCC基板、馈电网络、上、下层辐射金属贴片天线阵列、金属探针、馈电端口和接地金属层，其中，下层辐射金属贴片天线阵列与馈电网络设于下层LTCC基板的上表面，上层辐射金属贴片天线阵列位于上层LTCC基板的上表面；所述上、下层辐射金属贴片天线阵列形状、尺寸相同，每个天线阵列由四个子阵列构成，每个子阵列由四个辐射金属贴片构成，其中每个辐射金属贴片均为加切角的正方形、一组对边上开设矩形缝隙。该天线更好地兼顾了微带贴片天线低剖面、圆极化、高增益的性能要求，同时大大提高天线的频带带宽。

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种新型LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线。

背景技术

圆极化天线具有旋向正交性；可接收任意极化来波，其辐射波也可由任意极化天线接收； 圆极化波入射到对称目标，反射波反旋等优点。阵列天线相比于阵列辐射单元具有更高的增 益，更窄的波束，较强的定向性和空间波束扫描特性。而圆极化微带贴片阵列天线不仅具有 以上两种天线的优点，同时还具有微带贴片天线剖面低、结构简单、体积小、重量轻、制作 容易、成本低廉、能与载体或飞行器共形、易于实现圆极化特性并且很容易集成到微带电路 当中等优点。这些优点使其在无线通信、机载通信、卫星定位、远程遥感、航空航天等领域 得到了广泛的应用。

圆极化微带贴片阵列天线因其众多的优点而有着更大的实际应用潜力，但微带贴片天线 实质上近似于封闭的谐振系统，这一特点使其频带比较窄，而现代通信要求其具有更宽的频 带带宽。目前常见的展宽微带贴片天线的方法包括增大基板厚度、采用多层结构、附加阻抗 匹配等，但这些不仅不利于天线的小型化，也使天线结构更加复杂。此外，在实现微带贴片 天线圆极化方面，目前常见的有采用多馈电和进行贴片切角的方法，但前者增加了天线结构 的复杂度，使天线的增益降低，后者对贴片切角的尺寸精度要求较高。圆极化微带贴片阵列 天线兼顾其低剖面、圆极化、高增益、宽频带发展的矛盾始终未得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LTCC技术的双层单馈圆极化微带贴片阵列天线，该天 线更好地兼顾了微带贴片天线低剖面、圆极化、高增益的性能要求，同时大大提高天线的频 带带宽。解决了现有圆极化微带贴片阵列天线兼顾其低剖面、圆极化、高增益、宽频带发展 的矛盾。本发明的技术方案为：

一种LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线，包括上层LTCC基板1、下层LTCC基板 2、上层辐射金属贴片天线阵列4、馈电网络6、下层辐射金属贴片天线阵列7、金属探针11、 馈电端口12和接地金属层3，其中，接地金属层3位于下层LTCC基板2的下表面，下层辐 射金属贴片天线阵列7与馈电网络6设于下层LTCC基板2的上表面，上层辐射金属贴片天 线阵列4位于上层LTCC基板1的上表面，馈电端口12开设于下层LTCC基板2上相应位置 并通过金属探针11与馈电网络6相连、金属探针11与接地金属层3相绝缘；其特征在于， 所述上层辐射金属贴片天线阵列4与下层辐射金属贴片天线阵列7形状、尺寸相同，与接地 金属层3相互平行设置，每个天线阵列由四个子阵列构成，每个子阵列由四个辐射金属贴片 构成，其中每个辐射金属贴片均为加切角的正方形、一组对边上开设矩形缝隙。

进一步的，所述馈电网络6采用四分之一波长变换段与金属探针11相连接，在转角处采 用四分之一圆环即扫掠弯头8连接，在宽度不同的带状线连接处采用削角阶梯15连接，在T 型弯头处采用削角13。

所述上层LTCC基板1上在馈电端口12对应位置还开有圆形窗口，以露出金属探针11； 所述接地金属层3在馈电端口12对应位置开设与馈电端口12相同半径的圆形窗口，以露出 馈电端口12。

更进一步的，所述上、下层辐射金属贴片天线阵列中辐射金属贴片间纵横间距大于1/2 中心频率处的真空波长，边缘处的辐射金属贴片距离LTCC基板的对应边缘距离要大于1/4 中心频率处的真空波长。

所述上、下层辐射金属贴片天线阵列中辐射金属贴片切角大小要使单点馈电方形贴片产 生的幅度相等的两个正交简并模形成90°的相位差。

所述馈电网络6的带状线线宽由LTCC基板的介电常数大小和厚度确定，以确保与金属 探针11连接的1/4波长变换段的阻抗为50欧姆，子阵列中带状线17的阻抗为75欧姆，阵 列中带状线18的阻抗为100欧姆。

所述上、下层辐射金属贴片天线阵列的面积大小与上、下层LTCC基板的厚度关系应使 下层辐射金属贴片天线阵列7谐振于低于整个LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线中心 频率的频点，使上层辐射金属贴片天线阵列4谐振于高于LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵 列天线中心频率的频点。

所述上、下层LTCC基板所采用的LTCC陶瓷材料的相对介电常数在2～200之间。

所述馈电网络、上、下层辐射金属贴片天线阵列以及接地金属层均采用银浆印刷于相应 LTCC基板表面；整个LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线经流延、打孔、印刷、叠层、 等静压、切割和烧结后成型。

需要说明的是，本发明中上、下层辐射金属贴片天线阵列的辐射金属贴片切角大小是控 制天线圆极化的主要因素，其大小要使单点馈电方形贴片产生的幅度相等的两个正交简并模 形成90°的相位差；辐射金属贴片的一组对边上开设矩形缝隙，通过调节矩形缝隙的长宽可 增加天线的阻抗带宽。馈电网络在其直角转弯处采用四分之一圆环即扫掠弯头8进行连接， 在不同线宽转接处采用削角阶梯15进行连接，在T型弯头处采用削角13，这三种方法均对 带状传输线的不连续性进行有效补偿。另外，与金属探针相连的四分之一波长变换段的宽度 要比金属探针的直径稍大，以利于金属探针与四分之一波长变换段的焊接；在上层LTCC基 板上开设的圆形窗口不仅不影响天线的圆极化特性，还有利于改善整个天线的增益。

本发明的优点与有益效果如下：

1.该天线的主要特点之一是采用单馈电，利用方形贴片切对角实现圆极化的形式，从而 使其结构简单，方便其加工。

2.采用在金属辐射贴片对边开矩形缝隙的形式，利用缝隙微扰法使天线的频率带宽得到 大大提升，同时还使天线的轴比得到优化，大大降低了对贴片切角的加工精度要求。

3.在带状线不同的转接口处采用不同的不连续性补偿形式，使传输线的能量反射降低， 从而提高了天线的整体增益。

4.上层LTCC基板上所开的窗口采用圆形的形式，不仅方便金属探针与传输线之间的焊 接，而且不影响天线整体的圆极化，同时还增加了天线的整体频率带宽。

5.该天线充分利用了LTCC技术的优点，对不同叠层之间进行紧密无间隙结合，使其形 成了致密的一体化结构，不仅提高了天线的加工精度，使其稳定性和可靠性得到大大提升， 同时还使天线整体更易于与天线后端的T/R控制组件进行集成。

综上，本发明相对于常规基于有机介质或陶瓷基板的微带贴片阵列天线，不仅在相同阵 元数目限制下尺寸更小、增益更高、圆极化性能更好，而且其频率带宽也更宽，此外，天线 的结构也使其更易于加工。

附图说明

图1是本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线的结构展开示意图。

图2是本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线下层辐射金属贴片天线阵列结构 示意图。

图3是本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线上层辐射金属贴片天线阵列结构 示意图。

图4为本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线下层辐射金属贴片天线阵列2X2 子阵列结构示意图。

图5为本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线接地金属层仰视图。

图6为本发明LTCC双层单馈圆极化微带贴片阵列天线工作频率与反射损耗S11之间的 关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例提供的微带贴片阵列天线的中心频点是10GHz，如图6所示，本发明可在2mm 的剖面厚度内，实现阻抗带宽达到1.5GHz，增益最大超过16.7dB的微带贴片阵列天线，且 天线的轴比可小于1.5dB。

本实施例提供的一种LTCC双层单馈电圆极化微带贴片阵列天线，包括：

上层LTCC基板1：该基板采用10张厚度为0.1mm，介电常数为5.9的LTCC流延膜片 叠压而成，基板横向尺寸为74.2mm，纵向尺寸为76.3mm。基板上表面采用银浆印刷有4X4 个单元数的同尺寸的辐射金属贴片，构成上层辐射金属贴片天线阵列，辐射金属贴片距离基 板左右两边8mm，距离上下两边9.4mm，辐射金属贴片之间的横向间距为17.8mm，纵向间 距为17.4mm。在辐射金属贴片的对角上进行切角以实现圆极化，切角为边长1.2mm的等腰 直角三角形，在对边上开有长为0.6mm，宽为0.2mm的矩形缝隙。在基板靠近中央处开有一 个半径为2.5mm的圆形窗口5，以露出金属探针11和1/4波长变换段10，从而方便对其进行 焊接。

下层LTCC基板2：该基板采用10张厚度为0.1mm，介电常数为5.9的LTCC流延膜片 叠压而成，基板尺寸与上层基板1完全相同。基板上表面采用银浆印刷有4X4个单元数的同 尺寸的辐射金属贴片和馈电网络6。下层辐射金属贴片天线阵列7的结构、尺寸与上层辐射 金属贴片天线阵列4完全相同，其在下层基板上的位置与上层辐射金属贴片天线阵列4在上 层基板上的位置完全相同。带状线14与10的长度为介质中传播波长的1/4倍，与1/4波长变 换段14相连的扫掠弯头8为半径长2.7mm的1/4圆环，没有与1/4波长变换段14相连的扫 掠弯头8均为半径长2mm的1/4圆环。1/4波长变换段14位于下层辐射金属贴片7未切角前 的底边几何中心位置，其它不同尺寸的带状传输线连接时，其连接边的几何中心重合，带状 传输线17到相邻金属辐射贴片和带状线或辐射贴片和辐射贴片的距离相同。T型接头处的削 角13均为等腰三角形。在基板靠近中间位置开有一个半径为0.65mm的通孔，通孔的圆心距 离1/4波长变换段10的上下两边相同，距离右边为0.95mm，通孔是为插入金属探针11。馈 电网络6的宽度经过优化确保其1/4波长变换段10的阻抗为50欧姆，带状线17的阻抗为75 欧姆，1/4波长变换段14的阻抗为100欧姆。

接地金属层3：接地金属层3位于下层LTCC基板2的下表面，在靠近中间位置有一个 半径为2mm的圆孔16。圆孔16、金属探针11和上层LTCC基板1上的圆形窗口5，三者的 几何中心位于同一Z轴上。