一种基于LTCC的脊喇叭天线阵列设计

方　鑫,肯　诺,张　玲,王　慷

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

一种基于LTCC的脊喇叭天线阵列设计

方鑫,肯诺,张玲,王慷

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：设计了一种基于低温共烧陶瓷技术(LTCC)的Ka波段喇叭天线阵列。该天线利用LTCC工艺的特点,采用了通孔来实现波导脊的设计,使得脊喇叭天线得以实现。喇叭口处设计了介质块进行相位修正,使得天线获得较宽的带宽。利用微带线和介质集成波导(SIW)进行馈电,组成4×1的阵列进行仿真,阵列带宽为21.7%,方向图在频段内稳定,适合用于各种集成端射天线辐射系统。

关键词:喇叭天线；波导脊；阵列设计；低温共烧陶瓷

0引言

近年来,低温共烧陶瓷(LTCC)技术不断发展,已经成为微波毫米波高密度集成技术研究发展的热点,广泛应用于电子模块和整机中[1-2]。 LTCC材料具有介电常数高、损耗低、介质性能稳定等特性,其技术更具有灵活的设计方法,可以将微带、波导等传输线或电路组合在同一个三维立体微波结构中,从而提高可靠性和集成度。

喇叭天线因其较大增益和良好方向性而获得广泛的应用。然而,传统的喇叭天线比较笨重,难以与网络等进行集成。文献[3-4]利用介质完成了介质集成H型喇叭天线的设计,结构新颖,适合集成。照此,本文基于LTCC技术,利用通孔的灵活性设计了一种脊喇叭天线阵列。

本文首先介绍了Ka频段的LTCC脊喇叭天线单元的结构设计,证实了该天线的可行性及优势；然后设计SIW的功分网络作为4×1阵列的馈电网络,并将天线和网络组成整体利用Ansoft HFSS进行仿真计算；最后总结了所有的设计仿真结果和可发展性。

1脊喇叭天线阵列

1.1　天线单元设计

天线单元结构使用Ferro A6-M介质,其介电常数εr=6,损耗角为tanδ=0.002.每层LTCC介质厚度为h=0.1 mm,金属导体的厚度为0.008 mm。该喇叭天线利用介质集成波导馈电,金属通孔和金属带组合作为波导墙和喇叭两侧壁,并利用金属通孔和金属带的灵活性设计了脊状结构,如图1所示。在天线口径处设计一介质加载,修正辐射相位,达到宽带和提高增益的作用[3]。

(a) 天线单元俯视图

(b) 天线单元剖面图

天线单元结构从顶层到底层共20层,金属通孔直径应小于等于工作波长的十分之一,孔心距小于等于二倍孔直径[5]。根据LTCC工艺选取通孔直径为0.15 mm,通孔之间的距离为0.4 mm。其喇叭天线包含由通孔穿透的层数从6层渐变到1层组成的渐变阶梯型脊,天线的优化尺寸如图1中所示。加载阶梯脊的设计有助于提高带宽和小型化性能[6-8]。

由于LTCC的介质材料介电常数较高,喇叭天线口径处的相位差较大,造成能量很难辐射出来,带宽较窄,也是造成高频方向图分裂的一个原因。本文通过加载介质透镜的方法,降低口径相位差,改善天线的辐射方向图,与阶梯脊共同作用提高了天线的带宽和增益,也达到了天线小型化的设计。

加载介质的宽度与喇叭口同宽为5 mm,厚度与喇叭同厚度为2 mm。针对介质延伸长度进行优化分析,其仿真结果如图2、图3所示。

图2　加载介质对天线驻波影响

图3　加载介质对天线仿真增益的影响

由于Ansoft HFSS计算增益时不考虑驻波影响,在一定范围内其增益随着加载介质的长度增加而增加。设计时综合考虑其驻波的影响,d1取值2.5 mm。

1.2　SIW馈电网络

为了组成阵列,设计了介质集成波导(SIW)馈电网络,如图4所示。在SIW传输的拐点处均加入了探针和金属焊盘,减少能量的传输损耗,起到匹配作用。同时,在波导口处设计了SIW到微带线的过渡。SIW的上表金属面渐变到微带线,下表金属面延伸作为微带线的地板,最后以50 Ω微带线进行馈电。

图中d1、d2、d3代表功分器各拐点处离边的距离。利用HFSS对该参数进行优化,最终选取探针直径为0.3 mm,d1=1.13 mm,d2=0.95 mm,d3=0.85 mm。仿真结果如图5所示。

图4　SIW馈电网络

图5　SIW网络仿真结果

1.3　4×1天线阵列的设计

将4个天线单元与一分四SIW功分器结合组成4×1天线阵列,单元间距为6 mm,约为0.7λ。整个天线阵列由20层LTCC介质组成,设计了SIW到微带线的过渡作为测试端口。每个天线单元口径处均切割成独立的模块。仿真结构如图6所示。

(a) 俯视图 (b) 侧视图

2仿真结果

天线阵列利用Ansoft HFSS进行仿真优化,仿真结果如图7、图8所示。回波损耗|S11|≤-10 dB的带宽为30.8～38.4 GHz,约为21.7%。

天线阵列工作于31、35、38 GHz的辐射方向图如图5所示。天线辐射方向图在整个工作频带内稳定良好。由于天线为H型喇叭天线组成4×1的阵列,所以35 GHz时波束宽度为E面120、H面18、35 GHz的增益约为11.7 dBi。

图7　天线阵列的回波损耗和增益

图8　天线阵列的辐射方向图

3结束语

本文基于LTCC技术采用微带线至介质集成波导馈电,利用通孔灵活性设计了喇叭天线的阶梯脊结构,并加载介质块实现了一个4×1的脊喇叭天线阵设计。对加载介质的尺寸进行了优化分析,选取最佳尺寸,其仿真性能良好；驻波带宽21.7%,端射增益为11.7 dBi,方向图在整个频带内稳定良好。较高的LTCC加工精度满足了天线设计要求。该天线设计适合各类端射系统的应用。

参考文献:

[1]王悦辉,周济,崔学民,等.低温共烧陶瓷无源集成技术及其应用[J].材料导报,2005(5).

[2]杨邦朝,胡永达.LTCC技术的现状和发展[J].电子元件与材料,2014(11).

[3]H Wang,D G Fang.Dielectric loaded substrate integrated waveguide H-planr horn antennas[J].IEEE Trans.on Antennas & Propagation,2009,57(4):1050-1056.

[4]Siew Bee Yeap.Xianming Qing,Mei Sun.140GHz 2×2 SIW Horn Array on LTCC//IEEE Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation:2012.8:27-29.

[5]L Yan,W Hong,K Wu.Investigations on the propagation characteristics of the substrate integrated waveguide based on the method of lines[J].IEEE Proc.-Microw.Antennas Propag.2005,152(1).

[6]张光甫,王建朋,张跃元.角锥 TEM 双脊喇叭天线研究//全国微波毫米波会议论文集,2003.

[7]Hradecky Z,Holub A.Broadband TEM horn antenna with dielectric lens for UWB measurement//EuCAP 2009.3rd European Conference on Antennas and Propagation ,2009.

[8]何山红.分析宽频带、双极化、横束宽四脊喇叭的混合方法[J].电波科学学报,2002,17(2):160-165.

Design of a LTCC-based ridge horn antenna array

FANG Xin, KEN Nuo, ZHANG Ling, WANG Kang

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Abstract:A Ka-band ridge horn antenna array is designed based on the low temperature co-fired ceramic (LTCC). Based on the features of the LTCC technology, the waveguide ridge is designed with the metal holes to realize the ridge horn antenna. The dielectric block is adopted at the antenna aperture for the phase correction to make the antenna obtain wide bandwidth. Fed by the micro-strip line and the substrate integrated waveguide (SIW), the 4×1 array is formed and simulated, which indicates that the array bandwidth is 21.7 %, the pattern is stable in the frequency band, and it is applicable to various integrated end-fire antenna radiation systems.

Keywords:horn antenna; waveguide ridge; array design; LTCC

中图分类号:TN820.15

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2015)04-0046-04

作者简介:方鑫(1989-)，男，助理工程师，硕士，研究方向：天馈系统；肯诺(1975-)，男，高级工程师，研究方向：天馈系统；张玲(1988-)，女，助理工程师，硕士，研究方向：接收系统；王慷(1990-)，男，助理工程师，硕士，研究方向：天馈系统。

收稿日期：2015-03-11；修回日期：2015-04-02