射頻通信器件中采用陶瓷基板進(jìn)行收縮貼片天線

隨著無線電子產(chǎn)品的尺寸不斷縮小，需要越來越小的天線。為了滿足這一需求，在氧化鋁陶瓷基板材料上開發(fā)了一種三層寬帶貼片天線。而基板的高相對介電常數(shù)使得可以在不影響組件性能的情況下減小了天線的尺寸。此天線是在商用電磁（EM）仿真軟件的幫助下設(shè)計的，即Ansoft的高頻結(jié)構(gòu)仿真器（HFSS）。該設(shè)計的目標(biāo)工作頻率范圍為16.20至19.31GHz，峰值增益為8.531dBi，輻射效率為84%至89%，在整個工作寬帶的回波損耗優(yōu)于10dB，此天線專為Ku/K波段應(yīng)用而設(shè)計的。

由于無線產(chǎn)品的設(shè)計功能增加，而天線必須提供寬帶性能，但尺寸需要更小。關(guān)于使用高介電常數(shù)電路材料來縮小高頻電路尺寸的相關(guān)消息有很多。此外，天線設(shè)計者開發(fā)出多種新穎的結(jié)構(gòu)以嘗試實(shí)現(xiàn)小型化。而貼片天線長期以來一直用于多種形式的通信和雷達(dá)系統(tǒng)，以及GPS定位系統(tǒng)。

貼片天線為廣泛的無線應(yīng)用提供有吸引力的性能，但必須針對小幾何形狀進(jìn)行設(shè)計，以滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的需求。許多研究者已經(jīng)轉(zhuǎn)向介電常數(shù)基板材料以幫助小型化他們的天線設(shè)計，以及基于反應(yīng)阻抗基板、介電諧振器和磁介電基板的設(shè)計。基于介電陶瓷基板材料的基板因其高介電常數(shù)、低損耗、重量輕、成本低和市場可用性而成為天線小型化的希望候選者。

小型化天線的嘗試采用了許多不同技術(shù)，也包括使用低溫共燒陶瓷基板（LTCC），使用FR-4基板的平面單極環(huán)形天線設(shè)計。使用陶瓷材料進(jìn)行接近耦合饋電結(jié)構(gòu)，在基于EM帶隙的平面陶瓷天線。甚至基于人工磁性材料和分形希爾伯特曲線的基板，以增加有效磁導(dǎo)率。然而，通過這些技術(shù)在生產(chǎn)的大多數(shù)天線尺寸相對較大。增益低、效率低或帶寬窄。在探索使用特定陶瓷基板材料來幫助天線小型化的可能性還有很大空間。

目前工作涉及設(shè)計和制造具有同軸探針饋電的三層貼片天線，在設(shè)計氧化鋁陶瓷基板上。使用基于有限元法（FEM）分析的商用EM軟件分析天線，該軟件是流行的HFSS三維3D仿真軟件。建議的貼片天線在17.20GHz的諧振頻率下具有3.11GHz的帶寬和7.5-dBi的增益。氧化鋁陶瓷基板材料的使用及其高介電常數(shù)使得貼片天線的尺寸縮小成為可能。天線是在1毫米厚的氧化鋁上制造的，在沒有任何導(dǎo)電接地層的情況下建模時，相對介電常數(shù)為9.8、相對磁導(dǎo)率為1、理想損耗角正切為O的陶瓷基板材料，而天線可以設(shè)計在任何非導(dǎo)電平面上。

天線的設(shè)計從其輻射貼片開始，貼片的底壁設(shè)計有0.5毫米厚的銅，在沿Y軸的三個側(cè)面堆疊中，每個堆疊之間有0.5毫米的間隙。天線的幾何形狀和設(shè)計如圖1所示。

由于貼片外圍的邊緣場，天線在電氣上看起來比其物理尺寸更大。該天線設(shè)計為在16.20至19.31 GHz范圍內(nèi)工作，并使用HFSS進(jìn)行了優(yōu)化，以在該帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳性能。

圖2顯示了陶瓷貼片天線的回波損耗，在所需頻率范圍內(nèi)優(yōu)于10 dB。通過將饋電位置更改為更靠近基壁3 mm，貼片的較低共振頻率從17.2 GHz轉(zhuǎn)移到16.9 GHz。該天線在Ku波段頻率下提供1.8-GHz帶寬，為K波段應(yīng)用提供1.31-GHz帶寬。

圖3顯示了作為頻率函數(shù)的天線增益。8.531 dBi 的峰值增益出現(xiàn)在16.3 GHz處，此時輻射更具方向性；在17.20 GHz的諧振頻率下增益為7.05 dBi。在18.5 GHz以上，增益急劇下降，在這些較高頻率處的平均增益為3.5 dBi?？梢酝ㄟ^增加基板厚度來增加貼片天線的整體增益，但這也會影響天線的尺寸。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，功率器件也將逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展,對電子封裝的要求也越來越高。而陶瓷基板具有高導(dǎo)熱、高耐熱、高絕緣、高強(qiáng)度、低熱脹、耐腐蝕及抗輻射等特點(diǎn)，其應(yīng)用前景廣闊符合半導(dǎo)體行業(yè)對電子封裝的要求。因此需要加強(qiáng)陶瓷基板核心技術(shù)研發(fā)(包括陶瓷粉料、基片及基板制備技術(shù)等)，滿足國內(nèi)飛速發(fā)展的市場需求。

審核編輯：湯梓紅