CN101859927A - 一种ltcc叠层双馈圆极化微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

一种LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线，属于天线技术领域，具体涉及一种低剖面微带贴片天线。包括两层辐射金属贴片、一层接地金属层和馈电层，该四层功能层由三层介质LTCC陶瓷介质基板相间隔，馈电层由Wilkins功分器和90度相移微带线构成。两层辐射金属贴片和接地金属层的几何中心采用金属接地针互连，馈电层上90度相差的双馈点通过金属馈电针与上层辐射金属贴片相连。两层辐射金属贴片各自的两条边上分别具有两个矩形调频电极。本发明不仅能够更好地兼顾了微带贴片天线低剖面、宽频带以及圆极化的性能要求，同时还能方便地对天线频带进行适量的调节。

Description

一种LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种低剖面微带贴片天线。

背景技术

微带贴片天线具有体积小、重量轻、剖面薄、易共形等诸多优点，在卫星定位、无线通信、远程遥感、航空航天等领域的应用十分广泛。在机载或弹载应用的时候，对微带贴片天线尤其强调其低剖面、宽频带和圆极化的性能要求。但微带贴片天线输入阻抗随频率的变化十分敏感，导致其阻抗带宽很窄。当前的微带贴片天线普遍都采用有机介质材料或陶瓷材料作基板，为了拓展微带贴片天线的带宽，常用途径包括增大基板厚度、降低基板介电常数、采取多层结构、附加阻抗匹配等。但这些方式都是以增大天线的厚度或面积为代价的，不利于微带贴片天线与载体的共形设计以及小型化的发展需求。微带贴片天线兼顾低剖面和宽带化发展的矛盾始终未能得到很好的解决。此外，在实现微带贴片天线的圆极化方面，目前主要都是采取在辐射贴片上进行适当切角的方式。这种方式虽然实现起来比较方便，但天线的圆极化效果并不是太好，天线轴比参数较高，且对贴片切角的尺寸精度要求很高。

近年来LTCC(低温共烧陶瓷)技术的出现和发展为开发创新结构的微带贴片天线提供了强大的动力。LTCC技术作为一种先进的多层陶瓷技术，不仅可将传统微带贴片天线的结构从原先的一维扩充到三维，而且LTCC技术多层化过程中采用了流延和通孔技术，除了方便于加工生产以外，还可提供比常规基板材料更好的层厚控制，得到嵌入元素值上更紧的公差，因而有望为开发新型的低剖面、宽频化以及低轴比的微带贴片天线创造条件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有微带贴片天线在兼顾低剖面、宽频带以及圆极化方面的不足，提供一种基于LTCC技术的叠层双馈圆极化微带贴片天线，该天线不仅能够更好地兼顾了微带贴片天线低剖面、宽频带以及圆极化的性能要求，同时还能方便地对天线频带进行适量的调节。

本发明技术方案如下：

一种LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线，如图1至图5所示，包括：下层介质基板1、中层介质基板3、上层介质基板5、Wilkins功分器12、90度相移微带线14、上层辐射金属贴片7、下层幅射金属贴片4和接地金属层2。所述Wilkins功分器12和90度相移微带线14位于下层介质基板1的下表面，接地金属层2位于下层介质基板1的上表面，下层辐射金属贴片4位于中层介质基板3的上表面，上层幅射金属贴片7位于上层介质基板5的上表面。

上层辐射金属贴片7、下层幅射金属贴片4和接地金属层2相互平行，三者的形状同为正方形、且对应边相互平行，三者的几何中心同处于整个贴片天线的中心法线上并通过一根穿过中层介质基板3、下层幅射金属贴片4和上层介质基板5的金属接地针11相互连接；上层辐射金属贴片7的面积小于下层幅射金属贴片4，下层幅射金属贴片4的面积小于接地金属层2的面积；

在上层辐射金属贴片7的两条边上分别连接有一个矩形调频电极贴片6，在下层幅射金属贴片4的分别平行于上层辐射金属贴片7未连接矩形调频电极贴片6的两条边的两条边上分别连接有一个矩形调频电极贴片10；上层介质基板5上开有两个矩型窗口，以漏出与下层幅射金属贴片4相连的两个矩形调频电极贴片10；

所述Wilkins功分器12将通过馈电输入端A输入的射频信号分成两路功率相等的输出信号，其中一路输出信号经90度相移微带线14移相90度后接馈电点B，另一路输出信号直接接馈电点C；相移差为90度的两个双馈点B、C分别通过一根垂直穿过下层介质基板1、接地金属层2、中层介质基板3、下层幅射金属贴片4和上层介质基板5的金属馈电针连接到上层幅射金属贴片7上；金属馈电针在穿过接地金属层2与下层幅射金属贴片4时，与接地金属层2与下层幅射金属贴片4相绝缘。

所述下层介质基板1、中层介质基板3和上层介质基板5采用LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，所述Wilkins功分器12和90度相移微带线14、接地金属层2、上层辐射金属贴片7和下层幅射金属贴片4采用银浆印刷于相应介质基板表面，整个LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线经流延、印刷、叠片、打孔、填银、等静压和烧结工艺后形成。

需要说明的是：

1、用于印刷Wilkins功分器12和90度相移微带线14的微带线的线宽应根据基板的介电常数大小和厚度进行适当调节，以确保功分器的两段弯曲微带线特征阻抗为75欧姆，而其余微带线特征阻抗为50欧姆。

2、下层幅射金属贴片4的面积大小应使得该层辐射贴片对应的谐振频率点低于整个LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线的中心频率点；上层幅射金属贴片7的面积大小应使得该层辐射贴片对应的谐振频率点高于整个LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线的中心频率点。

3、下层幅射金属贴片4和上层幅射金属贴片7各自的两个矩形调频电极用于微调所属幅射金属贴片的谐振频率点。通过切割这两块矩形调频电极的长度或在上面开槽，可在一定程度上调节该层辐射贴片的谐振中心频率和输入阻抗。

4、上层介质基板5上开有两个矩型窗口，以漏出与下层幅射金属贴片4相连的两个矩形调频电极贴片10的目的是方便通过切割这两块矩形调频电极的长度或在上面开槽，可在一定程度上调节下层幅射金属贴片4谐振中心频率和输入阻抗。

5、采用金属接地针11将接地金属层2、下层辐射金属贴片4和上层辐射金属贴片7的几何中心进行连通，其目的在于：1)确保下层辐射金属贴片4及上层辐射金属贴片7与金属接地针11的接触点的电势为零，这样就可以相对独立的调节下层或上层辐射金属贴片的谐振频点；2)加上金属接地针还有利于改善整个天线的增益。

6、下层介质基板1、中层介质基板3和上层介质基板5所采用LTCC陶瓷材料的相对介电常数范围在2～100之间。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1)该天线结构的主要特点是通过LTCC印刷工艺，在微带天线最底层通过印刷的功分器将单馈电转换成为相差90度的双馈电，从而可产生很好的圆极化性能；2)采取两个分别高于整个天线中心频率和低于整个天线中心频率的辐射金属贴片，使其辐射带宽相互叠加，从而有效拓展整个天线的带宽；3)通过在辐射金属贴片两侧增加调频电极，可方便的对上下两层辐射金属贴片的谐振频率和输入阻抗进行适当的调节；4)通过LTCC的通孔和填银技术实现金属馈电针以及金属接地针的上下贯通。此外，该天线充分利用了LTCC先进的叠层和层厚控制技术，保证了不同叠层之间的紧密无间隙结合，形成致密的一体化结构，提高了天线的稳定性和可靠性，且剖面厚度可控制在很小的范围内。本发明相对于常规基于有机介质或陶瓷基板的微带贴片天线，不仅可在相同尺寸限制下获得更宽的天线带宽，同时天线的圆极化性能更好，此外，天线的谐振频率和带宽也能比较方便的进行适当调节。

附图说明

图1是本发明LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线的结构展开示意图。

图2是本发明LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线顶面结构示意图。

图3是本发明LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线的下层辐射金属贴片结构示意图。

图4为本发明LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线的接地金属层的结构示意图。

图5为本发明LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线底面结构示意图。

图6为本发明LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线工作频率与反射损耗S11之间的关系。

具体实施方式

下面结合附图和一种实施方式，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。

如图6所示，本发明实施方式提供的微带贴片天线的中心频点为1.268GHz，为BD-2型微带接收贴片天线，本发明可在3mm的剖面厚度内，实现阻抗带宽超过40MHz的微带贴片天线，且天线的轴比可小于1.5。

如图图1至图5所示，本发明提供的一种LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线，包括：

下层介质基板1：该基板采用5张厚度为0.1mm，介电常数为14的LTCC流延膜片叠片而成。基板下表面采用银浆印刷有一个Wilkins功分器加90度相移微带线；微带线的线宽经过优化确保功分器的两段弯曲微带线特征阻抗为75欧姆，而其余微带线特征阻抗为50欧姆。微带线上的A点为外接同轴馈电点，B点和C点为相移差为90度的两个双馈点，分别通过馈电电极垂直连接到上层辐射金属贴片7上。基板上表面采用银浆印刷有接地金属层2

中层介质基板3：该基板采用12张厚度为0.1mm，介电常数为14的LTCC流延膜片叠片而成。其上表面正中印刷有正方形的下层辐射金属贴片4，辐射贴片的面积大小应使得下层辐射金属贴片4的谐振频率点稍低于整个天线的中心频率点，在此我们选择的是比中心频率1.268GHz低15MHz的频率1.253MHz作为谐振频率点。同时，在下层辐射金属贴片4相邻两边的中间位置各多印刷了一小块矩形调频电极10。在下层辐射贴片4上，天线两个金属馈电针通过的地方同样开有直径为0.5mm的通孔，并对通孔进行了填银处理，但在通孔周围留有一小圈介质未印刷银浆，以确保两个金属馈电针与下层层辐射金属贴片4相绝缘。在下层辐射金属贴片4的正中心开有一直径为0.5mm的通孔，该通孔也经过填银处理。该通孔使得下层辐射金属贴片4的正中心与接地金属层之间通过金属接地针11相连。

上层介质基板5：该基板采用12张厚度为0.1mm，介电常数为14的LTCC流延膜片叠片而成。其上表面正中印刷有一个正方形的上层辐射金属贴片7。上层辐射金属贴片7面积的大小应使得上层辐射金属贴片7谐振频率点稍高于整个天线的中心频率点，在此我们选择的是比中心频率1.268GHz高15MHz的频率1.283MHz作为谐振频率点。同时，在上层辐射金属贴片7相邻两边的中间位置也各多印刷了一小块矩形的调频电极6，位置与下层辐射金属贴片4的调频电极相对。在上层介质基板上对应于下层辐射金属贴片4上调频电极10的正上方开有两个矩形槽，以露出下层辐射金属贴片的两个矩形调频电极。在上层介质基板5上天线两个金属馈电针通过的地方开有两个直径为0.5mm的通孔，并对通孔进行了填银处理，使得天线的两根金属馈电针能够与上层辐射金属贴片7相连。在上层介质基板5上，与中层介质基板3上金属接地针11所对应的位置也开有一个直径为0.5mm的通孔，并进行了填银处理，以实现通过金属接地针11将上层辐射金属贴片7、下层辐射金属贴片4以及接地金属层2三者之间的连通。

金属馈电针：该天线有两根垂直的直径为0.5mm的金属馈电针，通过LTCC技术中的通孔和填银处理实现上下贯通，这两根金属馈电针与上层辐射金属贴片7和天线最底面的B、C双馈电点之间连通，而与接地金属层2和下层辐射金属贴片4之间都是绝缘的。

金属接地针11：该天线有一根垂直的直径为0.5mm的接地针电极，其通过LTCC技术中的通孔和填银处理实现上下贯通，金属接地针11将上层辐射金属贴片7、下层幅射金属贴片4和接地金属层2的正中心相连。

Claims (3)

1.一种LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线，包括：下层介质基板(1)、中层介质基板(3)、上层介质基板(5)、Wilkins功分器(12)、90度相移微带线(14)、上层辐射金属贴片(7)、下层幅射金属贴片(4)和接地金属层(2)；所述Wilkins功分器(12)和90度相移微带线(14)位于下层介质基板(1)的下表面，接地金属层(2)位于下层介质基板(1)的上表面，下层辐射金属贴片(4)位于中层介质基板(3)的上表面，上层幅射金属贴片(7)位于上层介质基板(5)的上表面；

上层辐射金属贴片(7)、下层幅射金属贴片(4)和接地金属层(2)相互平行，三者的形状同为正方形、且对应边相互平行，三者的几何中心同处于整个贴片天线的中心法线上并通过一根穿过中层介质基板(3)、下层幅射金属贴片(4)和上层介质基板(5)的金属接地针(11)相互连接；上层辐射金属贴片(7)的面积小于下层幅射金属贴片(4)，下层幅射金属贴片(4)的面积小于接地金属层(2)的面积；

其特征在于：

在上层辐射金属贴片(7)的两条边上分别连接有一个矩形调频电极贴片(6)，在下层幅射金属贴片(4)的分别平行于上层辐射金属贴片(7)未连接矩形调频电极贴片(6)的两条边的两条边上分别连接有一个矩形调频电极贴片(10)；上层介质基板(5)上开有两个矩型窗口，以漏出与下层幅射金属贴片(4)相连的两个矩形调频电极贴片(10)；

所述Wilkins功分器(12)将通过馈电输入端A输入的射频信号分成两路功率相等的输出信号，其中一路输出信号经90度相移微带线(14)移相90度后接馈电点B，另一路输出信号直接接馈电点C；相移差为90度的两个双馈点B、C分别通过一根垂直穿过下层介质基板(1)、接地金属层(2)、中层介质基板(3)、下层幅射金属贴片(4)和上层介质基板(5)的金属馈电针连接到上层幅射金属贴片(7)上；金属馈电针在穿过接地金属层(2)与下层幅射金属贴片(4)时，与接地金属层(2)与下层幅射金属贴片(4)相绝缘；

所述下层介质基板(1)、中层介质基板(3)和上层介质基板(5)采用LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，所述Wilkins功分器(12)和90度相移微带线(14)、接地金属层(2)、上层辐射金属贴片(7)和下层幅射金属贴片(4)采用银浆印刷于相应介质基板表面，整个LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线经流延、印刷、叠片、打孔、填银、等静压和烧结工艺后形成。

2.根据权利要求1所述的LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线，其特征在于，下层幅射金属贴片(4)的面积大小应使得该层辐射贴片对应的谐振频率点低于整个LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线的中心频率点；上层幅射金属贴片(7)的面积大小应使得该层辐射贴片对应的谐振频率点高于整个LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线的中心频率点。

3.根据权利要求1所述的LTCC叠层双馈圆极化微带贴片天线，其特征在于，下层介质基板(1)、中层介质基板(3)和上层介质基板(5)所采用LTCC陶瓷材料的相对介电常数范围在2～100之间。

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