多层LCP技术的毫米波段超宽带槽天线设计

1、引言

无线宽带通信的迅猛发展需要能传输高比特率的新型宽带天线。毫米波段是短距离高比特率无线通信的重要波段。所以近年来，毫米波段小型高性能的超宽带天线吸引了大量的研究人员在这方面进行研究工作。

天线设计的另一个重要趋势是集成天线的射频前端电路。在过去几年中，低温共烧陶瓷技术(LTCC)大量用于射频前端电路。但是，LTCC由于其相对较高的介电常数会导致阻抗带宽较窄和明显的表面波，并不是一种理想的用于天线集成的材料。最近，提出了将液晶聚合物(LCP)材料用于微波和毫米波射频前端电路集成和封装。LCP作为一种新材料，损耗比LTCC更低，非常适用于制造微波，毫米波设备，因而有很好的应用前景。其优点如下：低损耗（频率为60GHz时，损耗角正切值0.002-0.004），灵活性，密封性（吸水率小于0.004％）[1]。正是基于以上优点，LCP可用于制造高频器件。

2、超宽带槽天线设计

2.1 单层槽天线的结构设计

锥形槽天线是一种重要的超宽带天线类型,显示了一些优点如宽带和高增益。此类天线的基本设计原则。在传统的锥形槽天线中接地板是没有使用的，能源辐射到锥形槽的两侧。在设计集成天线，一般需要把天线安装在金属地板之上，但是金属板会严重影响天线性能，如减少工作带宽。因此，带地板的锥形槽天线设计是一项重要的工作和严峻的挑战。

图１是LCP工艺结构的侧视图。电路板由８层金属和７层介质组成，厚度分别为h1=50μm ，h2=18μm，介质层的相对介电常数是2.9。

​图1 LCP工艺结构图

我们基于多层LCP电路板设计带地板的覆盖毫米波低频段的超宽带槽天线。立体结构如图２所示。能量通过最上层的微带线馈入天线，线性锥形槽放在第三层金属上，通过微带－槽线将能量从馈线耦合到辐射槽，见图4。对于微带馈线来讲，第三层金属相当于地板，因此用金属柱将辐射槽和接地板连在一起。第二，四，五，六，七的金属蚀刻形成空气隙，由两个长方体组成，形状类似于“凸”字，如图5所示。这两个长方体的尺寸分别是L9×W7×h1, L10×W8×h1。空气隙主要作用是增加介质层的厚度，展宽带宽。另外，由于金属层只是蚀刻去一部分，可以加强机械强度。优化后的结构尺寸见表格1。

​图2 立体结构图

​图3 第一层微带线

​图4 第三层辐射槽

​图5 第2，4，5，6，7层的空气隙

表1 单层锥形槽的尺寸

L1	8.80mm	d2	0.10mm
L2	0.32mm	d3	0.2mm
L3	13.50mm	d4	3.52mm
W1	6.75mm	d5	0.20mm
W2	11.50mm	d6	0.50mm
L4	7.00mm	L9	9.00mm
L5	7.30mm	L10	11.50mm
W3	1.00mm	W7	1.25mm
W4	1.00mm	W8	9.00mm
d1	8.50mm

2.1.2 天线的仿真结果

使用Ansoft HFSS 和 CST 软件对这种天线模型进行了仿真,仿真结果如图6所示。反射系数小于-10dB的带宽仅从40GHz至52GHz。42GHz和47GHz两个谐振点的增益分别为2.1dBi，3.0dBi。两种软件的仿真结果表明很难达到设计要求。

​图6 单层锥形槽的S11图

2.2 双层槽天线的结构设计

单层槽天线的仿真结果不能满足实际应用对带宽的要求。为了进一步展宽带宽，考虑到此类天线主要由直线渐变缝隙辐射，因此在原来的基础上，将第五层金属蚀刻成另一个不同尺寸的锥形槽，见图7。结构尺寸见表格2。

​图7 第五层锥形槽

表2 第五层锥形槽尺寸

d3	0.2mm	L6	10.00mm
d4	3.52mm	L7	3.50mm
d5	0.20mm	L8	7.00mm
d6	0.50mm	W5	1.20mm
d7	8.20mm	W6	1.20mm
d8	0.20mm

2.2.2 天线的仿真结果

同样，我们使用Ansoft HFSS和 CST两种软件对天线模型进行了仿真，见图9。从S11图可以看出双层的锥形槽大大展宽了带宽，反射系数小于-10dB的带宽从33GHz－60GHz，覆盖毫米波低频段。在三个谐振点39GHz，42.6GHz，52.7GHz的增益分别为2.1dBi，3.0dBi，3.2dBi，方向图如下所示。

​图8 双层锥形槽的S11图

​图9 天线的方向图(phi=0o)

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

从图9可以看出，锥形槽天线显示出明显的多频特性。谐振点的位置主要有渐变缝隙的长度决定，当渐变缝隙的长度变长时，同一频段的谐振点变多。而且，渐变缝隙的张角对谐振点的回波损耗值有影响。通过方向图发现，此类天线具有十分稳定的方向图，随着频率的升高，天线的方向性在逐渐增强，波束宽度在变窄但波束指向始终不变。

3 、结论

本文基于LCP电路工艺，提出了一种毫米波段的超宽带锥形槽天线。为了进一步展宽带宽，首次提出用两个锥形槽相结合的设计方案。带金属地板的结构可以有效抑制天线的后向辐射。设计的结果表明，该天线可以工作在33GHz－60GHz，整个工作带宽内方向图基本一致。由于天线是椭圆极化，因此可以工作在复杂的环境中。该研究表明，LCP电路工艺适合发展低成本，重量轻和高性能的毫米波天线。