貼片陶瓷天線原理 與 HFSS模型建立和仿真分析總結

2021-02-23 白浪工作室

（原創文章，轉載請與作者聯繫）

（文末可獲取陶瓷天線仿真模型）

0.前言

之前的文章介紹過一些電子產品中常見的貼片陶瓷天線。本文將對陶瓷天線的原理、HFSS模型建立仿真、貼片陶瓷天線使用注意事項等方面做詳細的分析。

LTCC( Low Temperature Co-fired Ceramics）即低溫共燒陶瓷技術，以 LTCC 工藝優良的疊層和過孔互聯技術、LTCC 材料優良的高頻高Q 和低損耗特性成為無源集成技術研究的熱點，LTCC 技術是實現天線小型化的有效方法之一。

1.LTCC技術簡介

LTCC 技術是 1982 年由美國休斯公司開發的新型技術。

LTCC 技術就是將陶瓷粉料通過流延的方法製成厚度均勻而且緻密的生瓷帶，在生瓷帶上通過雷射打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝製作出所需要的電路圖形，然後把這些生瓷帶疊壓在一起，層與層之間通過過孔連接，內外電極可使用銀、金等電導率較高的金屬，在 850~900℃下燒結，製成三維電路網絡的無源集成組件。

LTCC 技術應用在天線設計上，最初主要應用了 LTCC 材料高熱傳導率、高頻高 Q和低介質損耗等特點，天線的形式與傳統微帶天線類似。

LTCC 電性設計多為小型微波器件的設計，如濾波器、耦合器、天線等。由於器件尺寸較小，LTCC 器件電路內部存在複雜的電磁場相互作用，出現了大量的寄生和耦合效應，如不加以合理利用，則會對電路產生很大的影響。

2.陶瓷天線內部的曲折線原理

曲折線（Meander line）也稱為蛇形線，因其特殊的曲折形結構，能有效地增加表面電流長度，減小天線的整體長度，所以成為天線小型化的有效方法，成為研究的熱點。

LTCC曲折天線的結構如下圖所示。在每一層的曲折線結構中，x 方向對稱部分的電流方向相反，電場方向相反，因此在遠場產生的輻射作用相互抵消，對天線總體的輻射場影響較小。y 方向的曲折線結構電流方向相同，電場方向相同，可以近似為短路偶極子，對天線總體的輻射起主要作用。

在微波頻段，上下曲折線結構之間重疊的部分會產生強烈的耦合效應。通常，器件中的耦合效應是要被避免的，但是如加以合理利用就會產生正面的作用。

3.HFSS建立陶瓷天線仿真模型

3.1設計需求：

（1）陶瓷天線應用：藍牙、WiFi、ISM-2.4GHz無線應用。

（2）天線設計指標如下：中心頻率：2.4 GHz（2.40~2.9 GHz）；

（3）增益：0~2 dBi；

（4）極化方式：線極化；

（5）駐波比：VSWR≤3；

（6）方位角：全向。

（7）本設計中採用的襯底是Al2O3陶瓷片，相對介電常數為 9.8，

（8）陶瓷天線尺寸：（在網上找了一個陶瓷天線規格書，用它的尺寸）。LTCC 天線的總體尺寸為 5.2×2×1.15 mm3。

（9）LTCC 天線需掛載在 FR4 板上，相對介電常數為 4.4，介電損耗為 0.02。

板厚1.6mm

3.2 陶瓷天線內部結構

（1）陶瓷天線在PCB板子上如圖所示，該陶瓷天線類似一個單極子天線，天線尺寸主要是根據這款規格書尺寸大小來的。首尾兩個焊盤。一個用於饋電，一個用於調試天線頻點。

（陶瓷天線還有其它結構，本文只仿真其中一種）

（2）陶瓷天線內部結構如下圖所示，採用多層蛇形結構，末端的焊盤伸出一定長度的PCB走線，用於不同厚度PCB上的天線頻點的調試。

（3）陶瓷天線仿真增益

實際增益如下圖所示，最大實際增益1.3dB，效果還是不錯。

（4）陶瓷天線仿真S11

    從下圖可以看出，該陶瓷天線除了2.4GHz頻點外，還有4.4GHz等頻點。

實際工程應用中，可根據測試效果進行微調。

4.總結

    本文所仿真的陶瓷天線，只是為了進一步仿真那些使用陶瓷天線的無線產品，不是實際生產的陶瓷天線。

曲折線型 LTCC 天線在某種程度上減小了天線尺寸，易於獲得多個工作頻段，

但體積的減小帶來的問題是帶寬較窄、增益較低。

高速發展的移動通信對多頻段、寬頻帶和高可靠性天線的要求越來越高，設計具有明顯寬帶和超寬帶（UWB）特徵的LTCC 天線結構將具有非常重大的意義。

5.陶瓷天線模型獲取

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參考文獻：

(1)周琪，低溫共燒陶瓷技術發展現狀及趨勢，南京電子技術研究所.

(2)曲景潤.多頻段小型化低溫共燒陶瓷天線的研究[碩士學位論文].

往期經典文章（點擊相應的標題可進入）：

（1）無線系列-無線通信頻段與電波傳播

（2）無線系列-Matlab-WiFi信號波形產生器

（3）智能手環開發 之 實現藍牙(BLE)基本功能-1

（4）一文讀懂Simulink仿真誤碼率曲線實戰問題

（5）RFID天線技術 – 低頻和高頻RFID天線設計

（6）2FSK 數字調製原理與 Simulink仿真

（7）一文讀懂華為的智能天線技術

（8）5G 與 WiFi6(802.11ax)的共存關係分析

（9）路由器WiFi天線拆機詳解-路由器天線原理

（10）Ansys-HFSS-路由器WiFi天線仿真-套筒天線-單極天線

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