基于多層LCP技術的毫米波段超寬帶槽天線

1 引言

無線寬帶通信的迅猛發展需要能傳輸高比特率的新型寬帶天線。毫米波段是短距離高比特率無線通信的重要波段。所以近年來，毫米波段小型高性能的超寬帶天線吸引了大量的研究人員在這方面進行研究工作。

天線設計的另一個重要趨勢是集成天線的射頻前端電路。在過去幾年中，低溫共燒陶瓷技術(LTCC)大量用于射頻前端電路。但是，LTCC由于其相對較高的介電常數會導致阻抗帶寬較窄和明顯的表面波，并不是一種理想的用于天線集成的材料。最近，提出了將液晶聚合物(LCP)材料用于微波和毫米波射頻前端電路集成和封裝。LCP作為一種新材料，損耗比LTCC更低，非常適用于制造微波，毫米波設備，因而有很好的應用前景。其優點如下：低損耗（頻率為60GHz時，損耗角正切值0.002-0.004），靈活性，密封性（吸水率小于0.004％）[1]。正是基于以上優點，LCP可用于制造高頻器件。

2 超寬帶槽天線設計

2.1 單層槽天線的結構設計

錐形槽天線是一種重要的超寬帶天線類型,顯示了一些優點如寬帶和高增益。此類天線的基本設計原則。在傳統的錐形槽天線中接地板是沒有使用的，能源輻射到錐形槽的兩側。在設計集成天線，一般需要把天線安裝在金屬地板之上，但是金屬板會嚴重影響天線性能，如減少工作帶寬。因此，帶地板的錐形槽天線設計是一項重要的工作和嚴峻的挑戰。

圖１是LCP工藝結構的側視圖。電路板由８層金屬和７層介質組成，厚度分別為h₁=50μm ，h₂=18μm，介質層的相對介電常數是2.9。

圖1 LCP工藝結構圖

我們基于多層LCP電路板設計帶地板的覆蓋毫米波低頻段的超寬帶槽天線。立體結構如圖２所示。能量通過最上層的微帶線饋入天線，線性錐形槽放在第三層金屬上，通過微帶－槽線將能量從饋線耦合到輻射槽，見圖4。對于微帶饋線來講，第三層金屬相當于地板，因此用金屬柱將輻射槽和接地板連在一起。第二，四，五，六，七的金屬蝕刻形成空氣隙，由兩個長方體組成，形狀類似于“凸”字，如圖5所示。這兩個長方體的尺寸分別是L9×W7×h1, L10×W8×h1。空氣隙主要作用是增加介質層的厚度，展寬帶寬。另外，由于金屬層只是蝕刻去一部分，可以加強機械強度。優化后的結構尺寸見表格1。

圖2 立體結構圖

圖3 第一層微帶線

圖4 第三層輻射槽

圖5 第2，4，5，6，7層的空氣隙

表1 單層錐形槽的尺寸

2.1.2 天線的仿真結果

使用Ansoft HFSS 9.0和 CST 2005軟件對這種天線模型進行了仿真,仿真結果如圖6所示。反射系數小于-10dB的帶寬僅從40GHz至52GHz。42GHz和47GHz兩個諧振點的增益分別為2.1dBi，3.0dBi。兩種軟件的仿真結果表明很難達到設計要求。

圖6 單層錐形槽的S11圖

2.2 雙層槽天線的結構設計

單層槽天線的仿真結果不能滿足實際應用對帶寬的要求。為了進一步展寬帶寬，考慮到此類天線主要由直線漸變縫隙輻射，因此在原來的基礎上，將第五層金屬蝕刻成另一個不同尺寸的錐形槽，見圖7。結構尺寸見表格2。

圖7 第五層錐形槽

表2 第五層錐形槽尺寸

2.2.2 天線的仿真結果

同樣，我們使用Ansoft HFSS 9.0和 CST 2005兩種軟件對天線模型進行了仿真，見圖9。從S11圖可以看出雙層的錐形槽大大展寬了帶寬，反射系數小于-10dB的帶寬從33GHz－60GHz，覆蓋毫米波低頻段。在三個諧振點39GHz，42.6GHz，52.7GHz的增益分別為2.1dBi，3.0dBi，3.2dBi，方向圖如下所示。

圖8 雙層錐形槽的S11圖

(a) f=39GHz (b) f=42.6GHz (c) f=52.7GHz

圖9 天線的方向圖(phi=0^o)

從圖9可以看出，錐形槽天線顯示出明顯的多頻特性。諧振點的位置主要有漸變縫隙的長度決定，當漸變縫隙的長度變長時，同一頻段的諧振點變多。而且，漸變縫隙的張角對諧振點的回波損耗值有影響。通過方向圖發現，此類天線具有十分穩定的方向圖，隨著頻率的升高，天線的方向性在逐漸增強，波束寬度在變窄但波束指向始終不變。

3 結論

本文基于LCP電路工藝，提出了一種毫米波段的超寬帶錐形槽天線。為了進一步展寬帶寬，首次提出用兩個錐形槽相結合的設計方案。帶金屬地板的結構可以有效抑制天線的后向輻射。設計的結果表明，該天線可以工作在33GHz－60GHz，整個工作帶寬內方向圖基本一致。由于天線是橢圓極化，因此可以工作在復雜的環境中。該研究表明，LCP電路工藝適合發展低成本，重量輕和高性能的毫米波天線。