返折LTCC结构的超窄带天线的设计系统分析

　为满足超窄带无线通信对发射/接收系统的需求，提出一种适用于超窄带系统的紧凑型天线。该天线采用低温共烧陶瓷技术（ low-temperature co-fired ceramic，LTCC），通过返折交叉单极辐射片的方式，在缩小天线尺寸的同时，达到降低天线工作频段的目的。该天线整体尺寸为4 mm×27 mm×1.2 mm，仿真结果表明，天线在253.845254.275 MHz工作频段内，回波损耗小于-10 dB，相对带宽为0.34%。工作频段内回波损耗频率下降比达到29.26 dB/MHz，交叉极化隔离度小于-31 dB。为无线超窄带系统通信提供了可行的电子器件。
　　关键词：返折;低温共烧陶瓷;超窄带;天线
　　中图分类号：TN929.53
　　      文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0032-04
　　0 引 言
　　超窄带通信具有能在极窄的带宽上传送速率极高的信息的特性，是近年来在通信领域出现的一个热门研究方向^[1]。目前，基于超窄带滤波器的有线通信技术的研究已逐渐成熟。实验室水平已经能够做到在2 kHz 的滤波噪声带宽内可靠的传输 270 k bit/s 数据。据报道目前成功的超窄带调制空中试验结果是能够在 2.7 kHz 带宽内传输速率为 270 kbit/s。美国的实验系统在 AMPS 的 30 kHz 信道带宽内传送 T1（1.544 Mbit/s）数据^[2-3]。
　　然而，超窄带无线传输技术研究尚处于起步阶段，作为无线通信系统必不可少的一个器件，超窄带天线的设计与研究相对空白。目前，在常规天线前端加载超窄带晶体滤波器，以达到天线发射/接收窄带信号目的的做法比较广泛。但是，增加的前端滤波器必然会引起终端发射/接收系统的物理尺寸以及电路复杂度。研究具有超窄带工作特性的天线成为天线设计人员的新课题。
　　本文基于天线频段宽度的理论技术，提出并设计一种新型返折双层LTCC技术的超窄带天线。天线采用返折meander-line作为辐射片，上下层辐射片通过导电过孔连接。返折的辐射片上下2层正面相对，可以看作引入了电容。同时，导电过孔的添加可以看作在天线的等效电路中引入电感。本设计采用具有较高的相对介电常数得陶瓷为天线介质。此种结构的设计，等效电容、电感的交叉叠放增大了天线的实际品质因数，加强了天线自身的耦合特性，实现缩小天线尺寸，降低天线频率的目的。
　　1 天线工作带宽的理论基础
　　传统的贴片天线，通过在天线一端加载馈电，使电流沿着金属贴片的一个方向传递，用于激发电磁波。铁片上电流路径的长短与天线的工作频率成反比。为了使特定尺寸天线的工作频率降低，实现天线小型化的目的，研究人员提出在原先电流流向相互垂直（或成一定角度）的方向再增加一维电流流向的方法，将天线电流方向由一维扩展到二维，即meander-line技术，从而增加了电流流经的长度。缩小微带线原先所占用的一维空间（图1中的X方向）。
　　图1 Meander-line 一般结构示意图
　　将弯折后的二维贴片拆分为若干“Z”字形或“L”字形辐射单元，并通过导电过孔进行依次连接，进而将电流路径从二维扩展到三维（如图2所示），结合LTCC技术，在较小空间内延长了电流流经，提高了高品质因数，实现了天线小型化的目的^[4-5]。
　　图2 一般LTCC天线结构示意图
　　文献[6]利用传统LTCC天线的结构特点，将返折技术应用于LTCC天线。设计出基于返折结构的LTCC天线。如图3所示。
　　图3 天线仿真模型图
　　由图2可以看出，LTCC结构天线顶层/底层贴片交替放置，与之对应的底层/顶层尚有空间。文献[6]提出的天线结构类型，实现了天线小型化的目的。与此同时，进一步分析天线结构可知，返折的辐射片上下2层正面相对，可以看作引入了电容。同时，导电过孔的添加可以看作在天线的等效电路中引入电感。等效电容、电感的交叉叠放增大了天线的实际品质因数，能够实现进一步缩小天线尺寸的目的。
　　较大电容/电感的引入也降低了天线的谐振频段宽度，增加天线的子耦合特性，实现天线窄带化。
　　2 天线仿真结果及分析
　　天线带宽BW为
　　BW=S-1QS（1）
　　1Q=1Qr+1Qc+1Qd+1Qsw（2）
　　其中：S为给定电压驻波比;Q为天线品质因数;Qr为辐射损耗;Qc为导体损耗;Qd为介质损耗;Qsw为表面波损耗。
　　BW=S-1QS=
　　S-1S[8W3Lεrλ0（1h-3.4εr-11λ0）+
　　1πhλ0120σc+tanσ]-1（3）
　　其中：W，L分别为辐射片的宽度与长度;λ0为天线谐振频率对应波长;σ为介质损耗角;h导电过孔高度。
　　由式（3）可知，通过提升天线品质因数，增强天线自身偶和特性，可以降低天线工作带宽。
　　结合电磁仿真软件HFSS（high frequency structure simulator， HFSS）10.0对天线建模并仿真，结果如图48所示。
　　图4中随着导电过孔高度的增加，天线感抗也随着增加。图5中，根据式（4）可知，导电过孔的等效电感随其自身半径的增加而增大，增大了的感抗降低了天线谐振频率，减少了回波损耗。
　　图4 导电过孔高度h不同时对应的S11值
　　图5 辐射片宽度r不同时对应的S11值
　　在本设计的返折LTCC天线中，加入了适量的导电过孔，由文献[7]知，
　ν=πR2d2
　　L1=μ0h4πln（1ν）+ν-1（4）
　　即导电过孔的添加可以看作在天线的等效电路中引入电感。同时，返折的辐射片上下2层正面相对，可以看作引入了电容。本设计采用陶瓷为天线介质，具有较高的相对介电常数。采用此种结构的设计，增大了天线的实际品质因数，实现缩小天线尺寸、降低天线频率的目的。
　　表1 天线各个参量值
　　参量优化值/mm
　　w0.2
　　l0.7
　　d3.2
　　h1.0
　　r0.1
　　s0.2
　　天线电流路径的长度决定了天线的频率，即天线电流尺寸与馈源频率达到一定比例时，天线才处于谐振点。在实际电路中，电流在天线电路路径上所经过的电流相位的多少决定了天线的谐振频率。
　　本天线设计中，参量如图2a所示，实际天线模型如图3。表1为天线参量与对应的数值。
　　结合天线的建模与仿真， LTCC天线采用陶瓷介质（εr=14），优化后所设计的天线结果参数如表1所示：整个天线的大小为4 mm×27 mm×1.2 mm，天线模型如图3所示。
　　结果表明，回波损耗 小于-10 dB时，天线工作频段为253.845254.275 MHz，相对带宽为0.34%，工作频段内回波损耗-频率下降比达到29.26 dB/MHz，频段内最低回波损耗为-16.29 dB。
　　图6 天线S11仿真结果图7 归一化天线辐射方向图
　　由于采用了对称式的设计，产生交叉极化电场的磁流在远场无论是E面还是H面，都相互抵消了，进而提高了极化隔离度。仿真结果如图7所示，交叉极化为-31 dBi， 在360°范围内，交叉极化隔离度大于33 dBi。
　　3 结 论
　　结合Meander-lin与返折结构理论，通过建模仿真分析，提出一种缩小天线工作尺寸的设计方法。将等效电路分析，与具体模型相结合，设计出一种基于LTCC返折结构的超窄带天线。该天线整体尺寸为4 mm×27 mm×1.2 mm，仿真结果表明，回波损耗小于-10 dB时，天线工作频段为253.845254.275 MHz，相对带宽为0.34%，频段内最低回波损耗为-16.29 dB。为无线超窄带系统通信提供了可行的电子器件。
　　参考文献：
　　[1] 
　　WALKER H narrow band modulation textbook [EB/OL].（2009-01-20）[2013-11-20].http：//.
　　[2] 徐利民，董建国. 超窄带传输技术及其应用探讨 [J]. 通信技术，2008，41（10）：23-27.
　　[3] 靳一，吴乐南，冯熳，等.一种随机极性MCP-EBPSK 调制解调器[J].电子与信息学报，2012，34（7）：1647-1652.
　　.Antennas and Propagation，2001，2（480）：611-614.
　　.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，47（5）：829-836.
　　[6] 田海燕，李校林，楼思研. 一种新型LTCC天线的设计[J]. 数字通信，2012， 1（10）：41-44.
　　.IEEE as Propag，2003，51（10）：2678-2690.
　　作者简介：
　　杨 谊（1978），男，广西南宁人，工程师，主要研究方向为3G， 4G 移动通信网络建设的规划设计，跟踪及制定无线相关技术规范及标准。