高频应用中使用LTCC技术的3-D超材料的制造

VI．对称双3-D SRR的实验表征

用自由空间测量系统的对称样本还有一个特点。图12展示的是测得的空白的电介质和SRR介质的传输系数。65到67GHz之间的测量数据缺失，因为在这个波段不能使用1和1.88mm的电缆。图10展示了45.2和56.6GHz下五层样品耳朵仿真数据有双共振。然而，在略高于46.6和60.2频率下，测量数据有共振，这是由样品的收缩比预期高造成的。图5显示的是归因于对准误差产生的一些错误。我们在屏幕印刷和堆积层中用对准标记。准误差产生了超材料结构电长度的变化，自从结构被嵌入在陶瓷基板上，共烧后准误差的影响很难评估。此外，LTCC工艺中微观结构的收缩可能不平衡。频移的响应很大，因为在毫米波段其波长很小。五层样本中1.4GHz-3.6GHz的仿真数据和实测数据的共振频率有差别。

当LTCC介电常数用于封装，空白的介电常数没有阻带，波能通过整个波段的介质传播。然而，在45-62GHz波段中，入射波不能通过SRR的LTCC介质传播。图3中SRR的阻带增加了5到17GHz。对称对属性是由SRR的定位来改变的，即使规模和大小与图3中的SRR相同。频率范围和通带及阻带的带宽可以很容易地通过修改单元的结构设计。这对于允许理想信号进入包，防止不良信号渗入包的封装有不错的应用。

图12空白电介质和SRR电介质的实测传输系数（ ）比较（a）五层样品（b）三层样品

图13 五层样品实测数据计算出的有效（a）介电常数（b）磁导率

图12（b）展示了三层样本之间的比较。图10（b）中74.4和94.2GHz的仿真数据有共振，101.2GHz的实测数据有共振。我们无法观察到75GHz下实测数据的第一共振，因为它非常弱，而且接近V波段和W波段的临界。仿真数据和实测数据的第二共振频率差别在7GHz，这高于五层样本。这表明对准误差的影响可能与频率成正比。在90–105GHz波段的SRR中，入射波无法通过三层LTCC介质传播。

图13提出的五层样本的有效介电常数和磁导率是用尼科尔森罗斯威尔方法[13]，[25]测得传输和反射系数后计算得出的。介电常数和磁导率高度分散在共振频率附近。因为电谐振，60.2GHz下介电常数的实部是负的。因为磁共振，46.6GHz下磁导率的实部接近于0。

VII．总结

我们已经证明，LTCC技术可以成功用于2-D和3-D形式的毫米波超材料制造。我们设计的超材料结构与LTCC工艺兼容，使用多层陶瓷膜进行设计。采用自由空间测量系统测量SRR的共振。测量结果与仿真数据相符合，除了对准误差引起的频率位移以及略高于期望收缩。这可以由更准确的对准方法和不同类型的超材料微观结构收缩效应的系统化研究来改善。我们证明了材料的共振频率可以通过改变SRR的大小来调整。通过简单地引入一个LTCC材料的额外层，增加SRR三维高度的能力导致了成本的节约，因为不需要新的屏幕或者罩来实现其他的共振频率。

我们设想将LTCC工艺用于许多不用的应用，包括如天线超材料、天线罩超材料、MMIC的无源基板元件，如过滤器、移相器、减少高频EMI的封装材料，如减少天线阵列的视觉和雷达信号的基板和覆盖物。

感谢

我们非常感谢F.Barlow在开展低温共烧陶瓷工艺时的指导和帮助，那时他是费耶特维尔的阿肯色大学教师。

作者：Vasundara V. Varadan，IEEE高级会员和In Kwang Kim，IEEE会员