一种新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线

摘要

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线，用于克服现有圆极化微带贴片阵列天线在兼顾其低剖面、圆极化、高增益以及宽频带方面的不足。该天线包括从下往上依次层叠的接地金属层、下层介质基板、下层金属贴片天线、上层介质基板、上层金属贴片天线，上、下层金属贴片天线分别由若干个呈阵列排布的上、下层金属贴片单元构成，上、下层金属贴片单元采用相同尺寸的加切角正方形金属贴片且在切角处均开设有矩形凹槽，上层金属贴片单元的四边均开设有矩形缝隙，下层金属贴片单元的除馈电一边的其他三边也开设有矩形缝隙。本发明能够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、频率带宽更宽。

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宽频带圆极化微带贴片阵列天线。

背景技术

微带阵列天线作为雷达系统发射和接收电磁波的部件，其性能的好坏，直接影响着雷达探测结果的准确性，所以对于雷达系统，阵列天线的设计显得尤为重要。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。因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。

但是微带贴片天线的输入阻抗随频率的变化十分敏感，导致其阻抗带宽很窄；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、宽频带的矛盾始终未得到很好的解决。而LTCC(低温共烧陶瓷技术)作为一种多层陶瓷技术，其多层化过程中采用了流延和通孔技术，使得加工方便，并且可提供比常规基板材料更好的层厚控制，将微带天线的结构由传统的一维扩充到三维，改变了传统微带天线的设计模式，对于提高雷达天线系统集成度可发挥巨大作用；同时，LTCC材料的介电常数可在2～20000之间变化，能适应于不同的工作频率。因此，LTCC技术与微带天线结合已成为新的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有圆极化微带贴片阵列天线在兼顾其低剖面、圆极化、高增益以及宽频带方面的不足，提供一种基于LTCC技术的新型宽频带圆极化微带贴片阵列天线，该天线不仅能够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，同时还大大提高了天线的频带带宽。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线，包括从下往上依次层叠的接地金属层3、下层介质基板2、下层金属贴片天线8、上层介质基板1、上层金属贴片天线4，所述下层金属贴片天线8通过馈电网络5馈电，馈电端口7设置于下层介质基板8侧边，馈电网络5通过馈电端口7与接地金属层3连接侧馈，所述上层介质基板上对应于馈电端口7开设窗口6；所述上层金属贴片天线4和下层金属贴片天线8分别由若干个呈阵列排布的上层金属贴片单元和下层金属贴片单元构成，上层金属贴片单元与下层金属贴片单元对应设置、且采用相同尺寸的对角加切角矩形金属贴片，其特征在于，所述上层金属贴片单元与下层金属贴片单元的切角处均开设有矩形凹槽，所述上层金属贴片单元的四边均开设有矩形缝隙，所述下层金属贴片单元的除馈电一边的其他三边也开设有矩形缝隙。

进一步的，所述上层金属贴片单元与下层金属贴片单元上开设的每个矩形缝隙尺寸相同。

所述馈电网络5与下层金属贴片天线8相连，馈电网络采用四分之一波长变换段15与馈电端口7连接，采用四分之一波长变换段9与下层金属贴片单元相连接，在转角处均采用四分之一圆环即扫略弯头14、16连接，在宽度不同的带状线连接处采削角阶梯11连接。

所述馈电网络、上层金属贴片天线、下层金属贴片天线及金属接地层均采用银浆印刷于相应介质基板表面；所述宽频带圆极化微带贴片阵列天线经过流延、打孔、印刷、叠层、等静压、切割和烧结后成型。

更进一步说明的是：

1、上层金属贴片天线和下层金属贴片天线采用金属贴片单元阵列排布，阵元间纵横间距均要比二分之一中心频率处的真空波长稍大，边缘处的金属贴片单元距离介质基板的对应边缘的距离要大于1/4中心频率处的真空波长。

2、上层金属贴片天线和下层金属贴片天线的金属贴片单元的对角开矩形凹槽是控制天线圆极化的主要因素，适当调节金属辐射贴片单元及矩形凹槽的大小，保证单点馈电的金属辐射贴片产生幅度相等的两个正交简并模形成90°的相位差；同时，下层金属贴片单元采用三边非对称开设矩形缝隙，上层金属贴片单元采用每边对称开设矩形缝隙，形成微扰，大大增加天线的频率带宽，并且在保证中心频率不变的情况下大大减小金属辐射贴片的尺寸。

3、下层介质基板上的馈电网络的线宽要应根据基板的介电常数大小和厚度进行适当调节，以确保与馈电端口连接的1/4波长变换段的阻抗为50欧姆，与下层金属贴片单元连接的带状线的阻抗为100欧姆。

4、下层介质基板和上层介质基板所采用LTCC陶瓷材料的相对介电常数范围为2～100。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1)该天线采用单馈电，结构简单、加工方便，利用加切角正方形金属贴片开矩形凹槽的形式实现圆极化，有效提升圆极化性能，并且圆极化性能调节简单方便；2)采用在上层金属贴片单元每边对称开设矩形缝隙、下层金属贴片单元除馈电边以外的三边非对称开设矩形缝隙的形式，利用非对称缝隙微扰法使天线的频率带宽得到大大提升，并且在相同中心频率的条件小，可减小金属贴片的尺寸，同时还使天线的轴比得到优化，带宽得到一定程度的展宽；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)上层介质基板上对应于馈电端口开设的窗口，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，同时还可通过调节凹槽窗口的尺寸来调节天线的整体性能，从而增加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，从而实现整个天线的共形设计，而使天线尺寸减小，性能提升。综上，本发明能够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，而且频率带宽也更宽，并且结构简单易于加工。

附图说明

图1为本发明新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线的结构示意图，其中，1为上层介质基板、2为下层介质基板、3为接地金属层、4为上层金属贴片天线、5为馈电网络、6为窗口、7为馈电端口。

图2是本发明新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线的上层金属贴片天线结构示意图。

图3是本发明新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线的下层金属贴片天线结构示意图。

图4为本发明新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线的接地金属层结构示意图。

图5为本发明新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线的工作频率与反射损耗S11的关系曲线图。

图6为本发明新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线的角度与增益的关系曲线图。

图7为本发明新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线的角度与轴比的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于此。

本实施例提供一种新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线，其结构如图1至图4所示，该天线的中心频点是10GHz，其性能测试结果如图5、图6、图7所示，该天线能够在2.1mm的剖面厚度内，实现阻抗带宽达到1.68GHz，增益最大达到12.02dB，且天线的轴比可低至1.7dB。

上述新型LTCC宽频带圆极化微带贴片阵列天线，包括以下结构：

上层介质基板(1)：该基板采用12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44mm，纵向尺寸为44mm；基板上表面采用银浆印刷有2×2个单元数的相同尺寸的上层金属贴片单元，金属贴片单元距离基板左右两边10.2mm，距离上下两边10.05mm，金属贴片单元之间的横向间距为19mm，纵向间距为19mm；金属贴片单元的尺寸为4.9mm×4.6mm，在金属贴片单元的对角上开矩形凹槽以实现圆极化，矩形凹槽的长为1.2mm、宽为0.6mm，在辐射贴片的在每边上开有长为0.6mm、宽为0.17mm的矩形缝隙；基板右侧对应于馈电端口的正上方开有长1.5mm、宽2mm的窗口(6)，露出馈电端口，从而方便对其进行焊接；

下层介质基板(2)：该基板采用9张厚度为0.1mm，介电常数为5.9的LTCC流延膜片叠压而成，基板尺寸与上层介质基板(1)完全相同；基板上表面采用银浆印刷有2×2个单元数的相同尺寸的下层金属贴片单元(8)及馈电网络(5)；下层金属贴片单元的尺寸与上层金属贴片单元完全相同，但其只在除馈电边的其他三边非对称开设矩形缝隙，其矩形缝隙的长为0.6mm、宽为0.17mm，下层金属贴片单元与上层金属贴片单元上、下对应设置；馈电网络(5)中的微带线的线宽经过优化确保微带线特征阻抗为50欧姆，并且使各项性能达到要求指标，其中带状线(9)的尺寸3mm×0.45mm，扫略弯头(16)为半径为2.5mm的四分之一圆弧，带状线(10)的尺寸为1mm×1mm，带状馈线(11)的上底为1mm、下底为0.7mm、高为0.8mm，带状线(13)的尺寸为1mm×1.6mm，扫略弯头(14)为半径为1.5mm的四分之一圆弧，微带线(15)宽度经过优化使其端口阻抗为50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，通过馈电端口(7)与下层介质基板(2)的上表面上的微带线(15)相连。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。