【摘 要】
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高速发展的现代科技对天线的小型化和高性能的要求逐步提高,在这样的背景下,微带天线凭借其工作频段较高、物理尺寸小、易集成的优点获得了越来越多的关注。LTCC(低温共烧陶瓷)材料凭借其高介电常数、低介质损耗、设计灵活的优点,取代传统的材料,成为了微带天线介质基板材料的新兴选择,LTCC材料的优异性能可以有效地进一步提升微带天线性能,实现小型化,而其多层结构也有利于使用天线封装技术(Ai P)在天线下方
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高速发展的现代科技对天线的小型化和高性能的要求逐步提高,在这样的背景下,微带天线凭借其工作频段较高、物理尺寸小、易集成的优点获得了越来越多的关注。LTCC(低温共烧陶瓷)材料凭借其高介电常数、低介质损耗、设计灵活的优点,取代传统的材料,成为了微带天线介质基板材料的新兴选择,LTCC材料的优异性能可以有效地进一步提升微带天线性能,实现小型化,而其多层结构也有利于使用天线封装技术(Ai P)在天线下方设计封装腔体,实现高性能射频系统的高性能设计。本文基于LTCC技术,对工作在Ku波段的新型微带天线阵列进行了研究。考虑到设计目标中主要侧重的高增益、宽频带特性,天线单元采用了选择了耦合缝隙馈电的微带贴片天线,并选用了灵活性强,性能优秀的Dupont951材料作为天线的介质基板材料。结合天线理论进行了初始尺寸的确定,创新地提出了“十”字形耦合馈电缝隙,通过仿真验证了该结构相对于传统的H形缝隙可以达到更高的性能,验证了天线主要尺寸参数对性能的影响,并在此基础上用建模仿真的手段确定了天线各尺寸参数的最优值。最后通过添加寄生贴片与反射板结构使天线单元达到性能要求,最终设计出的天线单元在|S11|<10 d B下的工作频段为13.99 GHz-15.63 GHz,带宽为1.64GHz,相对带宽为11.1%,谐振点为14.8 GHz,谐振点处回波损耗为-40 d B,天线方向性良好,最大增益为9.44d Bi。为了进一步提升天线的性能,以此天线单元为基础进行组阵,阵列使用由T形功分器构成的并联馈电网络馈电,验证了多种馈电结构和单元排布方式与阵列天线性能间的关系,最终选择了平面阵阵列天线的方案。通过理论与仿真结合确定了阵列的单元间距,分别对2×2阵列与4×4阵列进行仿真以研究单元数量对阵列性能的关系。最后在阵列中加入了soft-surface结构与层叠腔结构,用于抑制表面波,抑制负向辐射,提高天线增益。最终设计完成的阵列天线增益为21.78d Bi,|S11|<10d B的工作频段为13.9GHz-15.9GHz,相对带宽为13.4%,带宽为2GHz,达到了设计目标中对天线性能的要求,相对于已有设计有着较为明显的性能优势。之后将天线阵列与3D-MCM技术相结合,采取垂直结构的集成方案,通过在天线下方设计封装层,完成了阵列封装天线的设计,并验证了封装层中的关键尺寸对封装天线阵列性能的影响,从而确定了封装层的具体尺寸。该阵列封装天线具有高增益、宽频带、小型化等优点,可以在通信等领域得到广泛的应用。
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