一種ltcc疊層雙饋圓極化微帶貼片天線的製作方法

2023-04-24 22:47:46 3

專利名稱：一種ltcc疊層雙饋圓極化微帶貼片天線的製作方法
技術領域：
本發明屬於天線技術領域，具體涉及一種低剖面微帶貼片天線。
背景技術：
微帶貼片天線具有體積小、重量輕、剖面薄、易共形等諸多優點，在衛星定位、無線 通信、遠程遙感、航空航天等領域的應用十分廣泛。在機載或彈載應用的時候，對微帶貼片 天線尤其強調其低剖面、寬頻帶和圓極化的性能要求。但微帶貼片天線輸入阻抗隨頻率的 變化十分敏感，導致其阻抗帶寬很窄。當前的微帶貼片天線普遍都採用有機介質材料或陶 瓷材料作基板，為了拓展微帶貼片天線的帶寬，常用途徑包括增大基板厚度、降低基板介電 常數、採取多層結構、附加阻抗匹配等。但這些方式都是以增大天線的厚度或面積為代價 的，不利於微帶貼片天線與載體的共形設計以及小型化的發展需求。微帶貼片天線兼顧低 剖面和寬帶化發展的矛盾始終未能得到很好的解決。此外，在實現微帶貼片天線的圓極化 方面，目前主要都是採取在輻射貼片上進行適當切角的方式。這種方式雖然實現起來比較 方便，但天線的圓極化效果並不是太好，天線軸比參數較高，且對貼片切角的尺寸精度要求 很 。近年來LTCC (低溫共燒陶瓷)技術的出現和發展為開發創新結構的微帶貼片天線 提供了強大的動力。LTCC技術作為一種先進的多層陶瓷技術，不僅可將傳統微帶貼片天線 的結構從原先的一維擴充到三維，而且LTCC技術多層化過程中採用了流延和通孔技術，除 了方便於加工生產以外，還可提供比常規基板材料更好的層厚控制，得到嵌入元素值上更 緊的公差，因而有望為開發新型的低剖面、寬頻化以及低軸比的微帶貼片天線創造條件。

發明內容
本發明的目的在於克服現有微帶貼片天線在兼顧低剖面、寬頻帶以及圓極化方面 的不足，提供一種基於LTCC技術的疊層雙饋圓極化微帶貼片天線，該天線不僅能夠更好地 兼顧了微帶貼片天線低剖面、寬頻帶以及圓極化的性能要求，同時還能方便地對天線頻帶 進行適量的調節。本發明技術方案如下一種LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線，如圖1至圖5所示，包括下層介質基板 1、中層介質基板3、上層介質基板5、Wilkins功分器12、90度相移微帶線14、上層輻射金屬 貼片7、下層幅射金屬貼片4和接地金屬層2。所述Wilkins功分器12和90度相移微帶線 14位於下層介質基板1的下表面，接地金屬層2位於下層介質基板1的上表面，下層輻射金 屬貼片4位於中層介質基板3的上表面，上層幅射金屬貼片7位於上層介質基板5的上表 上層輻射金屬貼片7、下層幅射金屬貼片4和接地金屬層2相互平行，三者的形狀 同為正方形、且對應邊相互平行，三者的幾何中心同處於整個貼片天線的中心法線上並通 過一根穿過中層介質基板3、下層幅射金屬貼片4和上層介質基板5的金屬接地針11相互
3連接；上層輻射金屬貼片7的面積小於下層幅射金屬貼片4，下層幅射金屬貼片4的面積小 於接地金屬層2的面積；在上層輻射金屬貼片7的兩條邊上分別連接有一個矩形調頻電極貼片6，在下層 幅射金屬貼片4的分別平行於上層輻射金屬貼片7未連接矩形調頻電極貼片6的兩條邊的 兩條邊上分別連接有一個矩形調頻電極貼片10 ；上層介質基板5上開有兩個矩型窗口，以 漏出與下層幅射金屬貼片4相連的兩個矩形調頻電極貼片10 ；所述Wilkins功分器12將通過饋電輸入端A輸入的射頻信號分成兩路功率相等 的輸出信號，其中一路輸出信號經90度相移微帶線14移相90度後接饋電點B，另一路輸出 信號直接接饋電點C ；相移差為90度的兩個雙饋點B、C分別通過一根垂直穿過下層介質基 板1、接地金屬層2、中層介質基板3、下層幅射金屬貼片4和上層介質基板5的金屬饋電針 連接到上層幅射金屬貼片7上；金屬饋電針在穿過接地金屬層2與下層幅射金屬貼片4時， 與接地金屬層2與下層幅射金屬貼片4相絕緣。所述下層介質基板1、中層介質基板3和上層介質基板5採用LTCC流延陶瓷膜片 疊片而成，所述Wilkins功分器12和90度相移微帶線14、接地金屬層2、上層輻射金屬貼 片7和下層幅射金屬貼片4採用銀漿印刷於相應介質基板表面，整個LTCC疊層雙饋圓極化 微帶貼片天線經流延、印刷、疊片、打孔、填銀、等靜壓和燒結工藝後形成。需要說明的是1、用於印刷Wilkins功分器12和90度相移微帶線14的微帶線的線寬應根據基板 的介電常數大小和厚度進行適當調節，以確保功分器的兩段彎曲微帶線特徵阻抗為75歐 姆，而其餘微帶線特徵阻抗為50歐姆。2、下層幅射金屬貼片4的面積大小應使得該層輻射貼片對應的諧振頻率點低於 整個LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線的中心頻率點；上層幅射金屬貼片7的面積大小應 使得該層輻射貼片對應的諧振頻率點高於整個LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線的中心 頻率點。3、下層幅射金屬貼片4和上層幅射金屬貼片7各自的兩個矩形調頻電極用於微調 所屬幅射金屬貼片的諧振頻率點。通過切割這兩塊矩形調頻電極的長度或在上面開槽，可 在一定程度上調節該層輻射貼片的諧振中心頻率和輸入阻抗。4、上層介質基板5上開有兩個矩型窗口，以漏出與下層幅射金屬貼片4相連的兩 個矩形調頻電極貼片10的目的是方便通過切割這兩塊矩形調頻電極的長度或在上面開 槽，可在一定程度上調節下層幅射金屬貼片4諧振中心頻率和輸入阻抗。5、採用金屬接地針11將接地金屬層2、下層輻射金屬貼片4和上層輻射金屬貼片 7的幾何中心進行連通，其目的在於1)確保下層輻射金屬貼片4及上層輻射金屬貼片7與 金屬接地針11的接觸點的電勢為零，這樣就可以相對獨立的調節下層或上層輻射金屬貼 片的諧振頻點；2)加上金屬接地針還有利於改善整個天線的增益。6、下層介質基板1、中層介質基板3和上層介質基板5所採用LTCC陶瓷材料的相 對介電常數範圍在2 100之間。本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果1)該天線結構的主要特點是 通過LTCC印刷工藝，在微帶天線最底層通過印刷的功分器將單饋電轉換成為相差90度的 雙饋電，從而可產生很好的圓極化性能；2)採取兩個分別高於整個天線中心頻率和低於整個天線中心頻率的輻射金屬貼片，使其輻射帶寬相互疊加，從而有效拓展整個天線的帶寬； 3)通過在輻射金屬貼片兩側增加調頻電極，可方便的對上下兩層輻射金屬貼片的諧振頻率 和輸入阻抗進行適當的調節；4)通過LTCC的通孔和填銀技術實現金屬饋電針以及金屬接 地針的上下貫通。此外，該天線充分利用了 LTCC先進的疊層和層厚控制技術，保證了不同 疊層之間的緊密無間隙結合，形成緻密的一體化結構，提高了天線的穩定性和可靠性，且剖 面厚度可控制在很小的範圍內。本發明相對於常規基於有機介質或陶瓷基板的微帶貼片天 線，不僅可在相同尺寸限制下獲得更寬的天線帶寬，同時天線的圓極化性能更好，此外，天 線的諧振頻率和帶寬也能比較方便的進行適當調節。


圖1是本發明LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線的結構展開示意圖。圖2是本發明LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線頂面結構示意圖。圖3是本發明LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線的下層輻射金屬貼片結構示意 圖。圖4為本發明LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線的接地金屬層的結構示意圖。圖5為本發明LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線底面結構示意圖。圖6為本發明LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線工作頻率與反射損耗S11之間 的關係。
具體實施例方式下面結合附圖和一種實施方式，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施 方式不限於此。如圖6所示，本發明實施方式提供的微帶貼片天線的中心頻點為1.268GHz，為 BD-2型微帶接收貼片天線，本發明可在3mm的剖面厚度內，實現阻抗帶寬超過40MHz的微帶 貼片天線，且天線的軸比可小於1.5。如1至圖5所示，本發明提供的一種LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線，包 括下層介質基板1 該基板採用5張厚度為0. 1mm，介電常數為14的LTCC流延膜片 疊片而成。基板下表面採用銀漿印刷有一個Wilkins功分器加90度相移微帶線；微帶線的 線寬經過優化確保功分器的兩段彎曲微帶線特徵阻抗為75歐姆，而其餘微帶線特徵阻抗 為50歐姆。微帶線上的A點為外接同軸饋電點，B點和C點為相移差為90度的兩個雙饋 點，分別通過饋電電極垂直連接到上層輻射金屬貼片7上。基板上表面採用銀漿印刷有接 地金屬層2中層介質基板3 該基板採用12張厚度為0. 1mm，介電常數為14的LTCC流延膜片 疊片而成。其上表面正中印刷有正方形的下層輻射金屬貼片4，輻射貼片的面積大小應使得 下層輻射金屬貼片4的諧振頻率點稍低於整個天線的中心頻率點，在此我們選擇的是比中 心頻率1. 268GHz低15MHz的頻率1. 253MHz作為諧振頻率點。同時，在下層輻射金屬貼片 4相鄰兩邊的中間位置各多印刷了一小塊矩形調頻電極10。在下層輻射貼片4上，天線兩 個金屬饋電針通過的地方同樣開有直徑為0. 5mm的通孔，並對通孔進行了填銀處理，但在通孔周圍留有一小圈介質未印刷銀漿，以確保兩個金屬饋電針與下層層輻射金屬貼片4相 絕緣。在下層輻射金屬貼片4的正中心開有一直徑為0. 5mm的通孔，該通孔也經過填銀處 理。該通孔使得下層輻射金屬貼片4的正中心與接地金屬層之間通過金屬接地針11相連。上層介質基板5 該基板採用12張厚度為0. 1mm，介電常數為14的LTCC流延膜片 疊片而成。其上表面正中印刷有一個正方形的上層輻射金屬貼片7。上層輻射金屬貼片7 面積的大小應使得上層輻射金屬貼片7諧振頻率點稍高於整個天線的中心頻率點，在此我 們選擇的是比中心頻率1. 268GHz高15MHz的頻率1. 283MHz作為諧振頻率點。同時，在上 層輻射金屬貼片7相鄰兩邊的中間位置也各多印刷了一小塊矩形的調頻電極6，位置與下 層輻射金屬貼片4的調頻電極相對。在上層介質基板上對應於下層輻射金屬貼片4上調頻 電極10的正上方開有兩個矩形槽，以露出下層輻射金屬貼片的兩個矩形調頻電極。在上層 介質基板5上天線兩個金屬饋電針通過的地方開有兩個直徑為0. 5mm的通孔，並對通孔進 行了填銀處理，使得天線的兩根金屬饋電針能夠與上層輻射金屬貼片7相連。在上層介質 基板5上，與中層介質基板3上金屬接地針11所對應的位置也開有一個直徑為0. 5mm的通 孔，並進行了填銀處理，以實現通過金屬接地針11將上層輻射金屬貼片7、下層輻射金屬貼 片4以及接地金屬層2三者之間的連通。金屬饋電針該天線有兩根垂直的直徑為0. 5mm的金屬饋電針，通過LTCC技術中 的通孔和填銀處理實現上下貫通，這兩根金屬饋電針與上層輻射金屬貼片7和天線最底面 的B、C雙饋電點之間連通，而與接地金屬層2和下層輻射金屬貼片4之間都是絕緣的。金屬接地針11 該天線有一根垂直的直徑為0. 5mm的接地針電極，其通過LTCC技 術中的通孔和填銀處理實現上下貫通，金屬接地針11將上層輻射金屬貼片7、下層幅射金 屬貼片4和接地金屬層2的正中心相連。
權利要求
一種LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線，包括下層介質基板(1)、中層介質基板(3)、上層介質基板(5)、Wilkins功分器(12)、90度相移微帶線(14)、上層輻射金屬貼片(7)、下層幅射金屬貼片(4)和接地金屬層(2)；所述Wilkins功分器(12)和90度相移微帶線(14)位於下層介質基板(1)的下表面，接地金屬層(2)位於下層介質基板(1)的上表面，下層輻射金屬貼片(4)位於中層介質基板(3)的上表面，上層幅射金屬貼片(7)位於上層介質基板(5)的上表面；上層輻射金屬貼片(7)、下層幅射金屬貼片(4)和接地金屬層(2)相互平行，三者的形狀同為正方形、且對應邊相互平行，三者的幾何中心同處於整個貼片天線的中心法線上並通過一根穿過中層介質基板(3)、下層幅射金屬貼片(4)和上層介質基板(5)的金屬接地針(11)相互連接；上層輻射金屬貼片(7)的面積小於下層幅射金屬貼片(4)，下層幅射金屬貼片(4)的面積小於接地金屬層(2)的面積；其特徵在於在上層輻射金屬貼片(7)的兩條邊上分別連接有一個矩形調頻電極貼片(6)，在下層幅射金屬貼片(4)的分別平行於上層輻射金屬貼片(7)未連接矩形調頻電極貼片(6)的兩條邊的兩條邊上分別連接有一個矩形調頻電極貼片(10)；上層介質基板(5)上開有兩個矩型窗口，以漏出與下層幅射金屬貼片(4)相連的兩個矩形調頻電極貼片(10)；所述Wilkins功分器(12)將通過饋電輸入端A輸入的射頻信號分成兩路功率相等的輸出信號，其中一路輸出信號經90度相移微帶線(14)移相90度後接饋電點B，另一路輸出信號直接接饋電點C；相移差為90度的兩個雙饋點B、C分別通過一根垂直穿過下層介質基板(1)、接地金屬層(2)、中層介質基板(3)、下層幅射金屬貼片(4)和上層介質基板(5)的金屬饋電針連接到上層幅射金屬貼片(7)上；金屬饋電針在穿過接地金屬層(2)與下層幅射金屬貼片(4)時，與接地金屬層(2)與下層幅射金屬貼片(4)相絕緣；所述下層介質基板(1)、中層介質基板(3)和上層介質基板(5)採用LTCC流延陶瓷膜片疊片而成，所述Wilkins功分器(12)和90度相移微帶線(14)、接地金屬層(2)、上層輻射金屬貼片(7)和下層幅射金屬貼片(4)採用銀漿印刷於相應介質基板表面，整個LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線經流延、印刷、疊片、打孔、填銀、等靜壓和燒結工藝後形成。
2.根據權利要求1所述的LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線，其特徵在於，下層幅射 金屬貼片(4)的面積大小應使得該層輻射貼片對應的諧振頻率點低於整個LTCC疊層雙饋 圓極化微帶貼片天線的中心頻率點；上層幅射金屬貼片(7)的面積大小應使得該層輻射貼 片對應的諧振頻率點高於整個LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線的中心頻率點。
3.根據權利要求1所述的LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線，其特徵在於，下層介質 基板(1)、中層介質基板(3)和上層介質基板(5)所採用LTCC陶瓷材料的相對介電常數範 圍在2 100之間。
全文摘要
一種LTCC疊層雙饋圓極化微帶貼片天線，屬於天線技術領域，具體涉及一種低剖面微帶貼片天線。包括兩層輻射金屬貼片、一層接地金屬層和饋電層，該四層功能層由三層介質LTCC陶瓷介質基板相間隔，饋電層由Wilkins功分器和90度相移微帶線構成。兩層輻射金屬貼片和接地金屬層的幾何中心採用金屬接地針互連，饋電層上90度相差的雙饋點通過金屬饋電針與上層輻射金屬貼片相連。兩層輻射金屬貼片各自的兩條邊上分別具有兩個矩形調頻電極。本發明不僅能夠更好地兼顧了微帶貼片天線低剖面、寬頻帶以及圓極化的性能要求，同時還能方便地對天線頻帶進行適量的調節。
文檔編號H01Q13/08GK101859927SQ201019087048
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月14日 優先權日2010年4月14日
發明者唐曉莉, 張懷武, 成軍平, 蘇樺, 荊玉蘭, 鍾智勇 申請人:電子科技大學