摘要特异材料（Metamaterials）也叫超材料，因其特殊的电磁特性，在提高微带天线带宽和增益方面有显著效果。低温共烧陶瓷（LTCC：Low Temperature Co-firing Ceramic）因其具有优良的热传导率、耐温性、高频高 Q 等特点成为当前无源集成技术的主流方向。本论文主要研究了一种基于 LTCC 技术的特异材料加载的微带天线，主要工作和成果如下：首先， 介绍了一种特异性材料——人工磁导体 （AMC： Artificial Magnetic Conductors）的基本理论，研究了 AMC 表面波带隙和反射相位带隙特性，在 HFSS 软件中构造反射相位带隙计算模型，仿真得到工作在K波段（工作中心频率均为25 GHz）的 AMC 结构。其次，基于 LTCC 技术，设计了一种 AMC 加载的宽带高增益微带天线，传统的未加载 AMC 结构的微带天线被设计用于性能比较。在此基础上设计了 AMC 加载的 2×2 天线阵列，并研究了其辐射特性。最后， 研究了超宽带高增益技术， 通过增加介质板厚度、 改变 AMC 单元形状等方法，使天线的带宽达到 35%。30772
毕业论文关键词 LTCC 人工磁导体（AMC) 特异材料 HFSS 宽带 高增益
Title Research On LTCC Metamaterials
Abstract Because of its special electromagnetic properties，metamaterials are obviouslyeffective in broadening microstrip antennas bandwidth and improving gain .On theother hand, as a main trend of the current passive integration technology, lowtemperature co-fired ceramic(LTCC) has excellent thermal conductivity andheat-resistance as well as high frequency and high Q ,etc. This paper mainlyintroduces a metamaterials loaded microstrip antenna which based on the LTCCtechnology. The main work and results are as follows:Firstly,this paper introduces the basic theory of artificial magnetic conductors(AMC)--one of the metamaterials.And researching on the surface wave band gap andreflection phase band gap characteristics of AMC . The structure of the reflectivephase gap is calculated in the HFSS , so we can confirm the AMC structure thatworking at the K-band (the center frequency is 25 GHz).Secondly,based on the LTCC technology, an AMC loaded microstrip antenna wasdesigned. A traditional microstrip antenna without AMC also was designed tocompare. Then composing the antenna unit with AMC structure to 2×2 antenna array,using HFSS software to emulation the radiation characteristics of the antennaarray.Finally, by increasing the thickness of dielectric-slab,and using different AMCunit shape method, the bandwidth of the antenna reaches 35%.
Keywords LTCC AMC metamaterials HFSS broadband high gain
目次
1绪论1
1.1课题研究背景及意义1
1.2国内外发展现状2
1.3本文的主要内容4
2AMC结构相关理论5
2.1AMC结构介绍5
2.2Floquet定理5
2.3同相反射相位特性的形成机理6
2.4反射相位计算模型8
3加载AMC结构的微带天线的设计10
3.1普通微带天线（无AMC结构）的设计10
3.2加载AMC结构的微带天线的设计11
3.3加载AMC结构的2×2天线阵14
3.4本章小结16
4改进的宽带微带天线的设计17
4.1改进天线厚度17
4.2几种改进的AMC结构19
4.3本章小结25
结论26
致谢27
参考文献28
1 绪论1.1 课题研究背景及意义特异材料(Metamaterials)，在很多文献中也被叫做超材料，或者超常媒质，是近几年新兴的并且十分具有研究价值和潜力的一个热门研究方向。特异材料的兴起并不让人意外，随着科技的飞速发展和工艺水平的提升，自然界中常用的材料已经不能让产品的性能进一步的优化，人们自然而然的开始寻找人工生产的具有特殊性能的结构和材料。由人造的微金属单元及其构成的周期/非周期结构便可组成所谓的特异材料，包括左手材料、电磁带隙结构、人工磁导体、波纹表面及软硬表面等。在电磁场理论中，理想金属表面 PEC和理想磁表面 PMC 是两种常用的边界条件。对于理想金属表面，电场的切向分量为 0，反射波产生 180°相位差，金属表面产生的镜像电流与入射电流抵消，使天线阻抗变为容抗或感抗。因此必须保证二者间距大于四分之一波长以减小反射波对入射波的干扰，但此限制使得天线在低频应用中厚度变厚；而对于理想磁导体，磁场的切向分量为 0，反射波与入射波同相，因此天线厚度不受四分之一波长的限制，可以实现很低的剖面，同时反射波与入射波同相叠加理论上可增加 3dB 天线增益。但理想磁表面在自然界中实际并不存在，在实际运用中也不能构造理想磁表面边界条件，因此科学家们开始尝试从特异材料中探寻其所需要的结构和材料。至此，对人工磁导体(AMC:ArtificialMagnetic Conductors)的研究应运而生。 人工磁导体起源于 1999 年美国学者提出的电磁带隙结构[1],因其具有阻带带隙的特性也被称为高阻抗表面（HIS:High Impedance Surface）；这种结构具有与理想磁导体近似的平面波同相位反射的特性，因此被称为人工磁导体[2]。将这种人工磁导体结构用于天线或天线阵列，能大大改善天线的性能。目前，特异材料的结构形式和制造工艺日新月异，相对于高温共烧陶瓷（HTCC），十九世纪末休斯公司提出了低温共烧陶瓷（LTCC：Low Temperature Co-fired Ceramic）的概念。LTCC 是一种陶瓷多层基板组件集成技术，可将多种复杂的无源器件集成并封装在一块电路板上，在无源集成技术领域中占据重要位置[3]。LTCC技术适合多层复杂微金属结构的加工与制作，非常有利于设计性能优良的特异材料。同时 LTCC 耐高温性、高频高 Q、加工精度高等特性也非常适合作为微带天线的设计材料。综上，本文研究了一种基于 LTCC技术的 AMC 加载的微带天线。利用 HFSS 软件设计出了宽带的 AMC 结构，并将此 AMC 加载到传统微带天线中，使微带天线的相对带宽提高到了21.6%。 同时，传统的未加载 AMC 的微带天线被设计用于性能比较。 在此基础上， 设计了 2×2的 AMC 加载的微带天线阵列， 并研究了其辐射特性。 最后， 通过增加介质厚度以及改变 AMC结构等方法，使得天线的带宽达到了35%。1.2 国内外发展现状1.2.1 LTCC 技术简介低温共烧陶瓷（LTCC）技术是共烧陶瓷多层基板组件无源集成技术[4][5]，该技术是把流延陶瓷材料进行打孔、层叠烧结在一起制成多层电路结构，基板内层有金属通孔、印刷金属电路、内置芯片等，可制成高稳定性、高集成度、高可靠性的微波组件。LTCC 技术最大的特点是多层结构， 这使电路能实现平面设计和空间设计的多样化，更为灵活自由。LTCC 技术相比于其他混合集成技术，有着较显著的优点[6]：第一，LTCC 介质均为陶瓷材料，因此具有高速传输、 高频率以及宽通带等良好特性。若材料成分不同， 其介电常数可在很大范围内变动； 同时由于印刷导体的金属材料有较高的电导率，因此电路设计十分灵活，电路系统的品质因数将大大提高；第二，相比于普通的 PCB 电路基板，LTCC 具备优良的热传导性，耐高温特性及最大电流，电子设备的散热需要得到了极大的保证；第三，电路基板的多层特点，介质中同时又可埋入多个无源元件，大大降低封装组件的成本。并且三文电路板上实现有源和无源的多层集成，有助于电路封装密度的提高，进一步减小电路板的重量和体积；第四，具备良好的兼容性，如将片上技术和 LTCC 技术结合可实现性能更优越、更稳定、更高集成度的混合型多层多芯片器件和系统；第五，生产过程的非连续性大大地提高了多层基板的质量和成品率， 成品制成之前可对各电路以及通孔等进行独立检查 ，减少了生产时间和成本。第优尔，LTCC 技术节能、绿色、环保的特点，降低了原材料浪费以及生产过程中的污染，也顺应了元件行业发展的趋势。 LTCC特异材料天线研究:http://www.youerw.com/tongxin/lunwen_26673.html