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射频通信器件中采用陶瓷基板进行收缩贴片天线

 时间:2022-09-28     浏览:293     分享

随着无线电子产品的尺寸不断缩小,需要越来越小的天线。为了满足这一需求,在氧化铝陶瓷基板材料上开发了一种三层宽带贴片天线。而基板的高相对介电常数使得可以在不影响组件性能的情况下减小了天线的尺寸。此天线是在商用电磁(EM)仿真软件的帮助下设计的,即Ansoft的高频结构仿真器(HFSS)。该设计的目标工作频率范围为16.2019.31GHz,峰值增益为8.531dBi,辐射效率为84%89%,在整个工作宽带的回波损耗优于10dB,此天线专为Ku/K波段应用而设计的。

 

由于无线产品的设计功能增加,而天线必须提供宽带性能,但尺寸需要更小。关于使用高介电常数电路材料来缩小高频电路尺寸的相关消息有很多。此外,天线设计者开发出多种新颖的结构以尝试实现小型化。而贴片天线长期以来一直用于多种形式的通信和雷达系统,以及GPS定位系统。

 

贴片天线为广泛的无线应用提供有吸引力的性能,但必须针对小几何形状进行设计,以满足现代电子设备的需求。许多研究者已经转向介电常数基板材料以帮助小型化他们的天线设计,以及基于反应阻抗基板、介电谐振器和磁介电基板的设计。基于介电陶瓷基板材料的基板因其高介电常数、低损耗、重量轻、成本低和市场可用性而成为天线小型化的希望候选者。

 

小型化天线的尝试采用了许多不同技术,也包括使用低温共烧陶瓷基板(LTCC),使用FR-4基板的平面单极环形天线设计。使用陶瓷材料进行接近耦合馈电结构,在基于EM带隙的平面陶瓷天线。甚至基于人工磁性材料和分形希尔伯特曲线的基板,以增加有效磁导率。然而,通过这些技术在生产的大多数天线尺寸相对较大。增益低、效率低或带宽窄。在探索使用特定陶瓷基板材料来帮助天线小型化的可能性还有很大空间。

 

目前工作涉及设计和制造具有同轴探针馈电的三层贴片天线,在设计氧化铝陶瓷基板上。使用基于有限元法(FEM)分析的商用EM软件分析天线,该软件是流行的HFSS三维3D仿真软件。建议的贴片天线在17.20GHz的谐振频率下具有3.11GHz的带宽和7.5-dBi的增益。氧化铝陶瓷基板材料的使用及其高介电常数使得贴片天线的尺寸缩小成为可能。天线是在1毫米厚的氧化铝上制造的,在没有任何导电接地层的情况下建模时,相对介电常数为9.8、相对磁导率为1、理想损耗角正切为O陶瓷基板材料,而天线可以设计在任何非导电平面上。

 

天线的设计从其辐射贴片开始,贴片的底壁设计有0.5毫米厚的铜,在沿Y轴的三个侧面堆叠中,每个堆叠之间有0.5毫米的间隙。天线的几何形状和设计如图1所示。

 

由于贴片外围的边缘场,天线在电气上看起来比其物理尺寸更大。该天线设计为在16.2019.31 GHz范围内工作,并使用HFSS进行了优化,以在该带宽内实现最佳性能。

 

2显示了陶瓷贴片天线的回波损耗,在所需频率范围内优于10 dB。通过将馈电位置更改为更靠近基壁3 mm,贴片的较低共振频率从17.2 GHz转移到16.9 GHz。该天线在Ku波段频率下提供1.8-GHz带宽,为K波段应用提供1.31-GHz带宽。

 

3显示了作为频率函数的天线增益。8.531 dBi 的峰值增益出现在16.3 GHz处,此时辐射更具方向性;在17.20 GHz的谐振频率下增益为7.05 dBi。在18.5 GHz以上,增益急剧下降,在这些较高频率处的平均增益为3.5 dBi。可以通过增加基板厚度来增加贴片天线的整体增益,但这也会影响天线的尺寸。

 

随着半导体技术不断发展,功率器件也将逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展,对电子封装的要求也越来越高。而陶瓷基板具有高导热、高耐热、高绝缘、高强度、低热胀、耐腐蚀及抗辐射等特点,其应用前景广阔符合半导体行业对电子封装的要求。因此需要加强陶瓷基板核心技术研发(包括陶瓷粉料、基片及基板制备技术等),满足国内飞速发展的市场需求。