基于多层LCP技术的毫米波段超宽带槽天线

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

2.1.2 天线的仿真结果

使用Ansoft HFSS 9.0和 CST 2005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