一种ltcc缝隙耦合阵列天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于天线技术领域，具体涉及一种LTCC宽频带高增益阵列天线。
【背景技术】
[0002]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，在雷达、导弹测控、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，对微带阵列天线尤其强调其小型化、宽频带和高增益的性能要求。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。微带贴片天线兼顾小型化、宽带化和高增益发展的矛盾始终未能得到很好的解决。
[0003]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、宽频带和高增益的微带贴片天线创造条件。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有微带阵列天线在兼顾小型化、宽频带和高增益方面的不足，提供一种基于LTCC技术的缝隙耦合宽频带高增益微带阵列天线，该天线更好地兼顾了微带贴片天线小型化、宽频带和高增益的性能要求。
[0005]本发明具体采用如下技术方案:
[0006]一种LTCC缝隙耦合阵列天线，其结构如图1至图5所示，由上至下依次包括2"个上层矩形辐射金属贴片单元2、上层介质基板1、2"个下层矩形辐射金属贴片单元4、中层介质基板3、接地金属层6、下层介质基板8及微带馈电网络7，所述2"个上层矩形辐射金属贴片单元2设于上层介质基板I上表面，上层辐射金属贴片单元2按三角形栅格排列，且相邻的上层矩形辐射金属贴片单元2的中心间距均为中心频率对应的二分之一自由空间波长；
[0007]所述2"个下层矩形辐射金属贴片单元4设于中层介质基板3上表面并呈矩形栅格排列，且与所述上层矩形辐射金属贴片单元2—一对应的，每一个下层矩形辐射金属贴片单元4位于其相应的上层矩形辐射金属贴片单元2的下方，且每个下层矩形辐射金属贴片单元4的中心相对于其相应的上层矩形辐射金属贴片单元2的中心沿贴片单元2的长边方向错位中心频率下八分之一自由空间波长的距离；
[0008]所述接地金属层6位于下层介质基板8的上表面，接地金属层6上开有2n个谐振缝隙5，所述2"个谐振缝隙5与下层矩形辐射金属贴片单元4 一一对应，且每个谐振缝隙5位于相应下层辐射金属贴片单元4的正下方；通过调节上层矩形辐射金属贴片单元2、下层矩形辐射金属贴片单元4及写真缝隙5的尺寸可调节阵列天线的阻抗带宽；
[0009]能量通过位于下层介质基板8下表面的微带馈电网络7通过谐振缝隙5耦合至下层矩形辐射金属贴片单元4，再通过耦合方式将能量传输至上层矩形辐射金属贴片单元2。
[0010]进一步的，所述微带馈电网络7可采用T型结功率分配器的级联形式，利用四分之一波长阻抗变换器和T型结经由2"个谐振缝隙5通过缝隙耦合实现所述2 n个下层矩形辐射金属贴片单元4的等幅度和等相位激励。
[0011]进一步的，所述上层介质基板1、中层介质基板3和下层介质基板8均采用LTCC流延陶瓷膜片叠片而成，所述微带馈电网络7、接地金属层6、上层辐射金属贴片单元2和下层辐射金属贴片单元4均采用银浆印刷于相应介质基板表面，整个LTCC缝隙耦合宽频带高增益微带阵列天线经流延、印刷、叠片、打孔、填银、等静压和烧结工艺后形成。
[0012]上层介质基板1、中层介质基板3和下层介质基板8所采用LTCC陶瓷材料的相对介电常数范围在2?100之间。
[0013]本发明的有益效果是:
[0014]I)该天线结构的主要特点是采用LTCC工艺，使谐振缝隙、下层辐射金属贴片单元和上层辐射金属贴片单元互相耦合，以增加天线阻抗带宽；
[0015]2)上层辐射金属贴片天线单元按三角形栅格排列，使单元排列紧密，在满足相同的天线指标情况下所需单元数少，使阵列天线可实现大角度扫描；
[0016]3)下层辐射金属贴片天线单元按矩形栅格排列，接地金属层上开的谐振缝隙位于下层辐射金属贴片单元正下方，按矩形栅格排列，以利于底层微带馈电网络排布；
[0017]4)上层矩形辐射金属贴片单元与下层矩形辐射金属贴片单元的错位式排布方式进一步提高了整个阵列天线的带宽；
[0018]5)本发明充分利用了 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；相对于常规基于有机介质或陶瓷基板的微带贴阵列天线，本发明可在相同尺寸限制下获得更宽的天线带宽。
【附图说明】
[0019]图1是本发明提供的LTCC缝隙耦合阵列天线的结构展开示意图；
[0020]图2是本发明提供的LTCC缝隙耦合阵列天线上层矩形辐射金属贴片阵列排布示意图；
[0021]图3是本发明提供的LTCC缝隙耦合阵列天线下层矩形辐射金属贴片阵列排布示意图；
[0022]图4为本发明提供的LTCC缝隙耦合阵列天线的开设有耦合缝隙的接地金属层的结构示意图；
[0023]图5为本发明提供的LTCC缝隙耦合阵列天线馈电网络结构示意图；
[0024]图6为本发明实施例提供的LTCC缝隙耦合阵列天线回波损耗Sll与频率的关系图；
[0025]图7为本发明实施例提供的LTCC缝隙耦合阵列天线E面辐射方向图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0027]实施例
[0028]本实施例提供一种LTCC缝隙耦合宽频带高增益微带阵列天线，中心频率为1GHz，其结构如图1至图5所示，主要包括:
[0029]上层介质基板I，该基板采用15张厚度为0.1mm、介电常数为5.9的LTCC流延膜片叠片而成，其上表面采用银浆印刷有64个按三角形栅格排列的上层辐射金属贴片单元2 ;
[0030]中层介质基板3，该基板采用15张厚度为0.1_、介电常数为5.9的LTCC流延膜片叠片而成，其上表面是64个按矩形栅格排列的下层辐射金属贴片单元4 ;
[0031]下层介质基板8，该基板采用5张厚度为0.1_，介电常数为5.9的LTCC流延膜片叠片而成，基板下表面采用银浆印刷微带馈电网络7，基板上表面采用银浆印刷有接地金属层，6，接地金属层6上开有64个谐振缝隙5。
[0032]如图6和图7所示，本发明实施方式提供的微带阵列天线可在长128mm宽104mm厚3.5mm的尺寸内，实现阻抗带宽超过4GHz、增益达到21.1dB的微带阵列天线。
【主权项】
1.一种LTCC缝隙耦合阵列天线，由上至下依次包括2 "个上层矩形辐射金属贴片单元(2)、上层介质基板(I)、2"个下层矩形辐射金属贴片单元(4)、中层介质基板(3)、接地金属层(6)、下层介质基板(8)及微带馈电网络(7)，其特征在于，所述2n个上层矩形辐射金属贴片单元(2)呈三角形栅格排列设于上层介质基板(I)上表面，且相邻的上层矩形辐射金属贴片单元(2)的中心间距均为中心频率对应的二分之一自由空间波长； 所述2"个下层矩形辐射金属贴片单元(4)设于中层介质基板(3)的上表面并呈矩形栅格排列，且与所述上层矩形辐射金属贴片单元(2) —一对应的；每个下层矩形辐射金属贴片单元(4)位于其相应的上层矩形辐射金属贴片单元(2)的下方，且每个下层矩形辐射金属贴片单元(4)的中心相对于其相应的上层矩形辐射金属贴片单元(2)的中心沿贴片单元(2)的长边方向错位中心频率下八分之一自由空间波长的距离； 所述接地金属层(6)位于下层介质基板(8)的上表面，接地金属层(6)上开有2"个谐振缝隙(5)，所述2"个谐振缝隙(5)与下层矩形辐射金属贴片单元(4) 一一对应，且每个谐振缝隙(5)位于相应下层矩形辐射金属贴片单元(4)的正下方； 能量通过位于下层介质基板(8)下表面的微带馈电网络(7)通过谐振缝隙(5)耦合至下层矩形辐射金属贴片单元(4)，再通过耦合方式将能量传输至上层矩形辐射金属贴片单元(2) ο
2.根据权利要求1所述的LTCC缝隙耦合阵列天线，其特征在于，所述位于下层介质基板(8)下表面的微带馈电网络(7)采用T型结功率分配器的级联形式，经由2n个谐振缝隙(5)通过缝隙耦合实现所述2"个下层矩形辐射金属贴片单元(4)的等幅度和等相位激励。
3.根据权利要求1所述的LTCC缝隙耦合阵列天线，其特征在于，所述上层介质基板(I)、中层介质基板(3)和下层介质基板(8)均采用LTCC流延陶瓷膜片叠片而成；所述微带馈电网络(7)、接地金属层(6)、上层辐射金属贴片单元(2)和下层辐射金属贴片单元(4)均采用银浆印刷于相应介质基板表面上。
4.根据权利要求3所述的LTCC缝隙耦合阵列天线，其特征在于，上层介质基板(I)、中层介质基板(3)和下层介质基板(8)所采用LTCC陶瓷材料的相对介电常数范围在2?100之间。
【专利摘要】本发明提供一种缝隙耦合阵列天线，属于天线技术领域。本发明的目的在于克服现有微带阵列天线在兼顾小型化、宽频带和高增益方面的不足，该天线包括上、下层辐射金属贴片单元，上、中、下层介质基板，接地金属层、谐振缝隙和微带馈电网络，所述上层辐射金属贴片单元按三角形栅格排列，下层辐射金属贴片单元按矩形栅格排列。相对于常规基于有机介质或陶瓷基板的微带贴阵列天线，本发明可在相同尺寸限制下获得更宽的天线带宽，并更好地兼顾贴片天线小型化、宽频带和高增益的性能要求。
【IPC分类】H01Q21-00, H01Q1-38, H01Q1-50, H01Q1-48
【公开号】CN104733843
【申请号】CN201510114219
【发明人】张怀武, 李贵栋, 李丽君, 郝欣欣, 段耀铎, 刘小飞
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月16日