一种新型LTCC天线的设计

一种新型LTCC天线的设计

前沿技术

DOI:10．3969/j．issn．1001-3824．2012．01．010

一种新型LTCC天线的设计

田海燕，李校林，楼思研

(重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆400065)

摘line天线技术理论及LTCC天线结构理论，line理论技要:通过分析Meander-并结合返折理论技术，将返折Meander-

设计了本天线单元，尺寸为18mm×3.8mm×1.2mm的天线模块。术应用于LTCC天线。最终通过理论分析与仿真优化，

仿真结果显示，该天线具有较好的抗阻特性、较高的隔离度、良好的交叉极化比和较为稳定的方向图和增益。line;增益;小型化;天线关键词:移动互联网;低温共烧陶瓷;Meander-

0引言

相互叠加的远区场辐射，提高天线的增益。

近年来，移动终端大量采用内置天线，且功能日益强大，这就对天线的小型化提出了更高的要temperaturecofiredceram-求。低温共烧陶瓷(low-ics，LTCC)具有耐高温性、高热传导率、高耐湿性、低介质损耗和优良的高频高Q特性等特点，基于LTCC技术的叠层结构设计使得电路布局从二维走向三维，是实现微波元件向小型化、片式化、高可靠性和低成本发展的有效途径。尤其是无线局域网络(wirelesslocalareanetworks，WLAN)和蓝牙设备通信距离短，收发功率小，对收发特性要求不高，但是对电线所占PCB的面积成本要求严格

［1-2］

1

line结构及LTCC天传统Meander-线理论

line是将微带线弯折，所谓Meander-利用在原

先电流流向相互垂直(或成一定角度)的方向再增加一维电流流向，从而增加电流流经的长度，缩小微带线原先所占用的一维空间(图1中的X方向)。line以此实现缩小天线一维尺寸的目的。Meander-一般结构示意图如图1所示。

。

line及LTCC天线的本文主要讨论了Meander-结构和原理，在一系列仿真结果的基础上修正了该天线辐射长度的经验计算公式，并通过一个天线的仿真结果来说明理论分析和计算公式的合理性。

传统的LTCC天线只是三维、单向地布置辐射单元，实现小型化的时候不能兼顾天线增益的要求。正是由于常规LTCC天线技术在增益设置方面的不足，限制了它在较远距离通信中的应用，而之前对单向LTCC天线的研究也没有考虑电流相位对line技术，天线的影响。本文采用了返折Meander-在实现天线小型化的基础上，针对天线增益较低的缺点，设计出一种层叠结构反向折叠形天线，通过

10-31收稿日期:2011-图1

Meander-line一般结构示意图

图1中，箭头所示为电流方向，此传输线上电流

x

y')，jy(x'，y'))，可表示为(j(x'，分别为X方向及

Y方向的电流，因此，微带线表面电场分布可表示为

Ex(x，y，0)=

∫∫

［Gxx(x，y，x'，y')jx(x'，y')+Gxy(x，y，x'，y')jy(x'，y')］［Gyx(x，y，x'，y')jx(x'，y')+Gyy(x，y，x'，y')jy(x'，y')］

dx'dy'(1)

Ey(x，y，0)=

dx'dy'(2)

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(2)中:Ex为微带线表面x方向电场强度;Ey为式(1)，

y，x'，y')，Gxy(x，y，微带线表面y方向电场强度;Gxx(x，

x'，y')，Gyx(x，y，x'，y')，Gyy(x，y，x'，y')为位于接地板line天线上的赫兹极子二阶格林函数分量。Meander-远场辐射计算结构演化如图2所示。

a所示为Meander-line的平面电流图，图2-图中所示的电流路径，在天线结构中Y方向的电流方向恰恰相反，它们产生的电磁场互相抵消，对辐射所起的作用十分有限，而X方向的电流方向一致，各个单元所产生的电磁场起到叠加的作用。因此，我们可以简化天线结构，去除Y方向辐射单元，并忽b中所示的天略Y方向辐射片宽度，进而形成图2-线阵列

［3-4］

上为所有X方向上折线的总长度

L=

［5］

，即

(5)

∑lx

LTCC天线无疑也可以借鉴此类方法进行体积缩小。利用LTCC工艺上的特点，采用多层形式的line天线对体积的减小效果更为显著。将Meander-分层放置及借鉴螺旋天线的结构形式建立的天线模型，都能在大幅度减小天线体积的同时，保持较好的电性能

［6-7］

。

一般LTCC天线设计方法是将电流路径由二维line分为若干“Z”走向三维。即将二维Meander-字“L”形或字形辐射单元为基本电流元，分别分布在LTCC天线不同的2层，其间用导体过孔相连结。如图3所示。可以实现天线小型化的目的。

。由此可以得出Meander-line天线的方

－k(d3cosφ+d1sinφ+d1+d)

×

2

(3)

向函数为

g=2sinφ×cos

［2cos2k(d2cosφ+2d1+2d)+2cosk(d2cosφ+2d1+2d)+1］

图3一般LTCC天线结构示意图

下面将设计一个返折双向LTCC天线，对其进行理论分析并对式(5)进行修正。

2

2.1

LTCC返折技术理论分析

返折理论技术

电流路径叠加示意图如图4所示。

由式(4)知，天线电流路径的长度决定了天线

的频率，即天线电流尺寸与馈源频率达到一定比例时，天线才处于谐振点。在实际电路中，电流在天线电路路径上所经过的电流相位的多少决定了天

图2

Meander-line天线远场辐射计算结构演化

线的谐振频率。根据折合阵子天线的原理，天线电流路径长度与馈源频率满足式(4)时，在末端进行

(4)

折合，不影响天线的谐振频率。同时，由于电流相位推移引起的电流方向改变和天线电路路径方向改变引起电流方向改变互相叠加，增强了天线在远区场的辐射能力。

天线波导波长为

fr

式(4)中:c为光在真空中的传接速度;f为天线的谐振频率。天线辐射长度L为1/4导波波长，在图形λ=

c

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总长度与Y方向上折线的总长度之和。

单极子天线的辐射长度为λ/4，由图4知天线1，2…)，谐振点在(1/4+n/2)/λ处(n=0，此时天线的辐射特性最佳。仿真结果也与之相符。

天线辐射长度为45.1mm和63.3mm的L/λ仿真值如表1所示。

表1

天线辐射长度一定时L/λ仿真值

仿真1:天线辐射长度为45.1mm

天线谐振点/GHz

0.71

L/λ0.2580.717

图4电流路径叠加示意图

1.97

仿真2:天线辐射长度为63.3mm

天线谐振点/GHz

0.481.38

2.2返折理论技术与LTCC天线技术的结合传统的分析方法认为:数条辐射单元上电流方

L/λ0.2450.705

向的相同与否，决定了各自微带元对辐射效益的贡献能力。同向电流对彼此的场有互相增强的作用，相互的干扰就要小很多，使得该形式的天线能保持原来的一些特性，只是由于增加了连接线及相互耦合产生了电容，使得谐振频率有所降低。常规的分析方法认为:由于传统多层LTCC天线只是简单地将上下层辐射元对折，引起对应部分的电流完全相反，它们所产生的电磁场会在相互抵消的同时扰乱整个电磁场的分布。此外，层与层之间的宽边耦合也会产生干扰。宽边耦合是一种强耦合，通常会引入较强的耦合电容，尽管宽边耦合电容对器件的体积缩小有很大的帮助，但是会对性能产生不利的影响。尤其对于天线来说，强耦合会导致层间一些部位电荷的积聚，使得天线表面的电流分布不均匀，而不均匀的电流分布对于辐射会产生不利的影响。

然而考虑到电流相位，利用微带元电路的返折与电流自身因相位推移而引起的方向改变之间的“负负得 …… 此处隐藏：6567字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……