一种基于LTCC的圆极化微带天线

摘要

本发明适用于天线领域，公开了一种基于LTCC的圆极化微带天线，包括下金属层、中间金属层、上金属层、辐射贴片、耦合贴片、射频输入焊盘、正交耦合器和接地柱，下金属层、中间金属层、上金属层、辐射贴片和耦合贴片两两间隔设置，并采用LTCC工艺依次从下至上加工而成；射频输入焊盘安装在下金属层设置的焊盘窗口，正交耦合器基于LTCC工艺设置在中间金属层设置的耦合器窗口，辐射贴片对称设置有第一馈点和第二馈点，正交耦合器的输入端与射频输入焊盘连通，正交耦合器的隔离端与中间金属层连通，正交耦合器的直通端与第一馈点连通，正交耦合器的耦合端与第二馈点连通，该微带天线整体采用LTCC工艺加工而成，能够实现微带天线和射频电路的小型化和集成化。

说明书

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种基于LTCC的圆极化微带天线。

背景技术

微带天线一般采用一定介电常数材料作为微带天线的基板材料，常用的材料有FR4、Rogers 4350、Rogers 5880、Taconic TLY-5等同系列的射频板材。随着天线工作频率的升高，基于射频板材制作的微带天线的尺寸越来越小。微带天线的加工精度偏差对所设计的微带天线的特性影响变大。常用天线的圆极化方法使用切角或者枝节模式获得圆极化天线，加工精度会导致极化特性变差、天线工作频点偏移、天线增益下降和带宽特性变化等问题出现。相对于切角或者枝节的方法实现圆极化天线，双馈点和四馈点能够实现更好圆极化特性。但随着馈点数的增加，天线单元对应的馈电网络变得更加复杂，使得天线馈电部分电路设计变得困难。受限于PCB加工工艺，对于层叠式和内埋式天线部分连接方式无法实现，导致微带天线的集成度下降。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种基于LTCC的圆极化微带天线，其整体采用LTCC工艺加工而成，能够实现微带天线和射频电路的小型化和集成化。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种基于LTCC的圆极化微带天线，包括下金属层、中间金属层、上金属层、辐射贴片、耦合贴片、射频输入焊盘、正交耦合器和接地柱，所述下金属层、所述中间金属层、所述上金属层、所述辐射贴片和所述耦合贴片两两间隔设置，并采用LTCC工艺依次从下至上加工而成；所述下金属层、所述中间金属层和所述上金属层三者通过所述接地柱连接；所述下金属层开设有焊盘窗口，所述射频输入焊盘安装在所述焊盘窗口，所述中间金属层开设有耦合器窗口，所述正交耦合器基于LTCC工艺设置在所述耦合器窗口，所述辐射贴片设置有第一馈点和第二馈点，第一馈点和第二馈点对称分布在辐射贴片，所述正交耦合器的输入端与所述射频输入焊盘连通，所述正交耦合器的隔离端与所述中间金属层连通，所述正交耦合器的直通端与所述第一馈点连通，所述正交耦合器的耦合端与所述第二馈点连通。

优选地，所述基于LTCC的圆极化微带天线还包括第一金属柱，所述射频输入焊盘通过所述第一金属柱与所述正交耦合器的输入端连通。

优选地，所述基于LTCC的圆极化微带天线还包括接地电阻，所述中间金属层通过接地电阻与正交耦合器的隔离端连通。

优选地，所述基于LTCC的圆极化微带天线还包括第一射频线和第二射频线，所述第一射频线的一端与所述正交耦合器的直通端连通，所述第一射频线的另一端与第一馈点连通，所述第二射频线的一端与所述正交耦合器的耦合端连通，所述第二射频线的另一端与所述第二馈点连通。

优选地，所述基于LTCC的圆极化微带天线还包括第二金属柱和第三金属柱，所述第一射频线的一端通过第二金属柱与所述正交耦合器的直通端连通，所述第一射频线的另一端通过第三金属柱与第一馈点连通。

优选地，所述基于LTCC的圆极化微带天线还包括第四金属柱和第五金属柱，所述第二射频线的一端通过第四金属柱与所述正交耦合器的耦合端连通，所述第二射频线的另一端通过第五金属柱与所述第二馈点连通。

优选地，所述基于LTCC的圆极化微带天线还包括围设在所述正交耦合器外侧的金属圈，所述金属圈位于上金属层与下金属层之间，并用于连接所述下金属层、所述中间金属层和所述上金属层。

优选地，所述基于LTCC的圆极化微带天线还包括设于上金属层上的金属框，所述金属框围设在所述辐射贴片和所述耦合贴片的外侧。

优选地，所述LTCC材料为杜邦951、杜邦9K7和Ferro A6-M三者中任一者。

优选地，所述辐射贴片和所述耦合贴片平行放置，所述辐射贴片采用Ag或Au制备而成。

本发明提供的基于LTCC的圆极化微带天线包括下金属层、中间金属层、上金属层、辐射贴片、耦合贴片、射频输入焊盘和正交耦合器，微带天线整体采用LTCC工艺加工而成，能够实现微带天线和射频电路的小型化和集成化，射频信号从射频输入焊盘引入到正交耦合器的输入端，信号经过正交耦合器，形成相位正交的信号，并传输到辐射贴片的第一馈点和第二馈点处，正交信号在辐射贴片和耦合贴片的作用下，能够形成圆极化电磁波。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于LTCC的圆极化微带天线的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于LTCC的圆极化微带天线的分解图；

图3是本发明实施例提供的辐射贴片和正交耦合器的组合示意图；

图4是本发明实施例提供的辐射贴片和正交耦合器的另一方向的组合示意图；

图5是本发明实施例提供的正交耦合器的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的辐射贴片的结构示意图。

附图标号说明：

1、下金属层；101、焊盘窗口；2、中间金属层；201、耦合器窗口；3、上金属层；4、辐射贴片；401、第一馈点；402、第二馈点；5、耦合贴片；6、射频输入焊盘；7、正交耦合器；701、输入端；702、隔离端；703、直通端；704、耦合端；8、第一金属柱；9、第二金属柱；10、第三金属柱；11、第四金属柱；12、第五金属柱；13、第一射频线；14、第二射频线；15、接地电阻；16、接地柱；17、金属圈；18、金属框。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

低温共烧陶瓷(LTCC,Low Temperature Co-Fired Ceramic)技术是一种多层陶瓷微波材料技术，可以将无源元件内埋到基板内部同时将有源原件贴装在基板表面，是一种先进的无源集成及混合电路封装技术。LTCC工艺将多层陶瓷叠压对位后再进行低温烧结，金属导体和电路可以在每一层陶瓷介质层上采用流延和通孔互连技术，实现层与层之间的电路连接，能够提供比常规基板材料更好的精度控制。总的来说，LTCC工艺为微带天线和射频电路的小型化和集成化提供可行条件。

如图1至图6所示，其为本发明的一种实施例的基于LTCC的圆极化微带天线。

请参阅图1-图6，本发明实施例的基于LTCC的圆极化微带天线包括下金属层1、中间金属层2、上金属层3、辐射贴片4、耦合贴片5、射频输入焊盘6、正交耦合器7、第一金属柱8、第二金属柱9、第三金属柱10、第四金属柱11、第五金属柱12、第一射频线13、第二射频线14、接地电阻15、接地柱16，下金属层1、中间金属层2、上金属层3、辐射贴片4和耦合贴片5两两间隔设置，并采用LTCC工艺依次从下至上一体化加工而成。下金属层1、中间金属层2和上金属层3三者通过接地柱16连接。

下金属层1开设有焊盘窗口101，射频输入焊盘6安装在焊盘窗口101，作为微带天线的射频输入端701口，中间金属层2开设有耦合器窗口201，正交耦合器7基于LTCC工艺设置在耦合器窗口201，射频输入焊盘6通过第一金属柱8与正交耦合器7的输入端701连通，用于实现信号的传输，中间金属层2通过接地电阻15与正交耦合器7的隔离端702连通，辐射贴片4设置有第一馈点401和第二馈点402，第一馈点401和第二馈点402对称分布在辐射贴片4，第一射频线13的一端通过第二金属柱9与正交耦合器7的直通端703连通，第一射频线13的另一端通过第三金属柱10与第一馈点401连通，第二射频线14的一端通过第四金属柱11与正交耦合器7的耦合端704连通，第二射频线14的另一端通过第五金属柱12与第二馈点402连通，耦合贴片5和辐射贴片4互相作用，改善微带天线的辐射情况，能将天线的辐射带宽展宽，使得天线能够在工作频率处，辐射的范围更广，特别是阵列化应用时能够在大角度指向时获得更好的辐射特性。

可以理解地，下金属层1作为微带天线的总参考地，可以通过焊接或者使用导电胶粘接的方式与承载微带天线的结构体连接，实现天线的接地。

本发明设计的微带天线整体采用LTCC工艺加工而成，能够实现微带天线和射频电路的小型化和集成化，射频信号从射频输入焊盘6，使用LTCC工艺加工的金属柱，实现信号的层间传输，并将其引入到正交耦合器7的输入端701。信号经过正交耦合器7，形成相位正交的信号，并通过金属柱和层间金属线互联传输到辐射贴片4的第一馈点401和第二馈点402处。正交信号在辐射贴片4和耦合贴片5的作用下，能够形成圆极化电磁波。

可选地，LTCC材料可选用杜邦951、杜邦9K7和Ferro A6-M等当前主流材料，可以理解地，LTCC材料不限于当前主流材料，可根据设计需求选择使用的材料。

可选地，辐射贴片4的金属材料可选用Ag(银)和Au(金)，但不限于Ag和Au，可以根据使用材料和LTCC工艺确定使用的金属材料。

可选地，接地电阻15为厚膜电阻，其采用LTCC工艺制备。

需要说明的是，耦合贴片5位于辐射贴片4正上方，其尺寸和距离辐射贴片4的高度可以通过仿真软件进行优化确定。

需要说明的是，射频输入焊盘6的尺寸可以根据外部提供射频信号的连接器的端口截面尺寸确定。

需要说明的是，第一金属柱8的直径、第二金属柱9的直径、第三金属柱10的直径、第四金属柱11的直径和第五金属柱12的直径均可以根据选择的材料和对应工艺参数进行选择。

进一步地，还包括金属圈17，金属圈17位于上金属层3与下金属层1之间，并将下金属层1、中间金属层2和上金属层3三者连接起来，且金属圈17围设在正交耦合器7外侧，用于防止射频信号的辐射和干扰。

可以理解地，金属可以为一体式的环形金属圈17，也可以由一系列接地柱16围合成环形圈，只要能够起到电气特性连接和屏蔽的作用即可。

进一步地，还包括金属框18，金属框18设于上金属层3上，并围设在辐射贴片4和耦合贴片5的外侧，能够减少外部信号对辐射贴片4和耦合贴片5的干扰。

可以理解地，金属框18可以为一体式的环形金属框18，也可以由一系列接地柱16围合成环形框，只要能够减少外部信号对辐射贴片4和耦合贴片5的干扰即可。

本发明实施例的基于LTCC的圆极化微带天线整体采用LTCC工艺制备，尺寸规格根据实际需求设计，下面仅做举例说明。

微带天线工作的中心频率为22GHz，微带天线平面尺寸为6.9mm*6.9mm，厚度为各层LTCC和金属层的叠加厚度，约1.308mm。

在加工过程中，采用的LTCC材料为Ferro A6_M，Ferro A6_M的介电常数为5.9，Ferro A6_M的损耗角正切小于0.002，LTCC单层厚度为约0.096mm，采用Au作为印刷的导电材料，且厚度约为0.01mm，其中电阻为厚膜方阻，阻值为100Ω，也就是说下金属层1的厚度、中间金属层2的厚度、上金属层3的厚度均为0.01mm，金属柱填充采用Ag作为导体材料。

下金属层1和中间金属层2之间、中间金属层2和上金属层3之间的LTCC均为3层，LTCC整体厚度约为0.288mm；上金属层3和第一射频线13之间、上金属层3和第二射频线14之间的LTCC均为2层，LTCC整体厚度约为0.192mm；辐射贴片4和第一射频线13之间、辐射贴片4和第二射频线14之间的LTCC均为2层，LTCC整体厚度约为0.192mm；辐射贴片4和耦合贴片5之间的LTCC为3层，LTCC整体厚度约为0.288mm。金属柱主要负责连接各层之间的金属走线或者接地平面，其高度和层厚一致。金属圈17主要连接下金属层1、中间金属层2、上金属层3，其高度为6层LTCC的厚度和中间金属层2的厚度，整体厚度约为0.586mm，壁厚为0.1mm。金属框18在上金属层3到耦合贴片5的高度为7层LTCC的厚度，整体厚度约为0.672mm，壁厚为0.15mm。

射频输入焊盘6是在下金属层1开窗的基础上实现的，下金属层1的圆形开窗半径为0.46mm，射频输入焊盘6半径为0.176mm，第一金属柱8的半径、第二金属柱9的半径、第三金属柱10的半径、第四金属柱11的半径和第五金属柱12的半径均为0.05mm，与第一金属柱8连接的正交耦合器7的输入端701口的金属半径为0.115mm。如图5所示，正交耦合器7的各端口之间的传输线尺寸是对称的，能够实现直通端703和耦合端704输出信号满足圆极化天线馈电需求。

如图5和图6所示，辐射贴片4和耦合贴片5平行放置，辐射贴片4的半径为1.3mm，耦合贴片5的半径为1.4mm，第二馈点402中心位置距辐射贴片4圆心X和Y方向均为0.6364mm，第二馈点402的中心位置与辐射贴片4的中心位置相距0.9mm，第一馈点401和第二馈点402的位置对称分布。从正交耦合器7的直通端703和正交耦合器7的耦合端704输出的射频信号，通过半径为0.05mm的第二金属柱9和第四金属柱11，传输到第一射频线13和第二射频线14。第一射频线13和第二射频线14的结构一样，下面以第一射频线13为例进行说明。第一射频线13由宽度为0.23mm，长度为0.44mm的矩形和两个半径为0.115的半圆组成，两个半圆分别位于矩形的两侧，矩形的长度由第二金属柱9的柱面圆心与和第三金属柱10的柱面圆心之间的距离决定。信号通过第一射频线13和第二射频线14分别和第三金属柱10和第五金属柱12连通到达辐射贴片4表面满足圆极化微带天线的设计需求。耦合贴片5和辐射贴片4互相作用，改善微带天线的辐射情况，能将天线的辐射带宽展宽，使得天线能够在工作频率处，辐射的范围更广，特别是阵列化应用时能够在大角度指向时获得更好的辐射特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。