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低温共烧陶瓷物联网终端集成化圆极化天线与射频模组设计

高鹏建 李佳 王玮冰 周凯月

高鹏建, 李佳, 王玮冰, 周凯月. 低温共烧陶瓷物联网终端集成化圆极化天线与射频模组设计[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(4): 1104-1112. doi: 10.11999/JEIT240827
引用本文: 高鹏建, 李佳, 王玮冰, 周凯月. 低温共烧陶瓷物联网终端集成化圆极化天线与射频模组设计[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(4): 1104-1112. doi: 10.11999/JEIT240827
GAO Pengjian, LI Jia, WANG Weibing, ZHOU Kaiyue. Integrated Circularly Polarized Antenna and RF Module Design for Low-Temperature Co-fired Ceramic IoT Terminals[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(4): 1104-1112. doi: 10.11999/JEIT240827
Citation: GAO Pengjian, LI Jia, WANG Weibing, ZHOU Kaiyue. Integrated Circularly Polarized Antenna and RF Module Design for Low-Temperature Co-fired Ceramic IoT Terminals[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(4): 1104-1112. doi: 10.11999/JEIT240827

低温共烧陶瓷物联网终端集成化圆极化天线与射频模组设计

doi: 10.11999/JEIT240827
基金项目: 中国科学院战略性先导科技专项(A类)项目(XDA22020100)
详细信息
    作者简介:

    高鹏建:男,博士生,研究方向为面向物联网应用的小型化天线

    李佳:女,研究员,研究方向为智能集成MEMS传感器系统、物联网系统应用等

    王玮冰:男,研究员,研究方向为MEMS传感器设计、建模和仿真、CMOS-MEMS兼容工艺与工程化平台整合、面向MEMS传感器应用的微弱信号处理与恢复、MEMS-IC 界面电路系统设计与实现

    周凯月:女,博士后,研究方向为智能集成MEMS传感器系统、可穿戴传感器系统算法

    通讯作者:

    李佳 lijia@ime.ac.cn

  • 中图分类号: TN82

Integrated Circularly Polarized Antenna and RF Module Design for Low-Temperature Co-fired Ceramic IoT Terminals

Funds: Chinese Academy of Sciences Strategic Leading Science and Technology Special Project (Class A) (XDA22020100)
  • 摘要: 针对物联网中无线收发系统天线低轮廓集成需求,该文基于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺设计了一款圆极化集成天线。该天线利用LTCC工艺3维层合结构,将3 dB耦合器馈电结构,印刷辐射贴片,蓝牙芯片以及外围控制电路一体化集成,采用LTCC镂空结构有效拓展了天线的带宽。设计的天线和电路基板进行了样品制备,天线的整体尺寸为: $ {\text{0}}{\text{.37}}{\lambda _{\text{0}}} \times {\text{0}}{\text{.37}}{\lambda _{\text{0}}} \times {\text{0}}{\text{.033}}{\lambda _{\text{0}}} $ ($ {\lambda _{\text{0}}} $为中心频率处的自由空间波长),充分体现了其低轮廓特性。将天线加载到电路系统中进行通信测试,结果表明该天线具有良好的圆极化特性和实用特性。
  • 图  1  天线设计原理

    图  2  3 dB定向耦合器

    图  3  基于LTCC工艺的天线射频集成化方案

    图  4  镂空结构

    图  5  镂空结构对天线|S11|的影响

    图  6  天线辐射电场分布

    图  7  天线加工以及性能测试

    图  8  天线|S11|和轴比仿真实测对比图

    图  9  天线效率和增益仿真实测对比图

    图  10  天线仿真与实测方向图

    图  11  系统整体通信测试

    表  1  3 dB耦合器的尺寸(mm)

    L1 L2 L3 L4 L5
    2.55 16.7 15.6 6.9 2.55
    L6 L7 L8 W1 W2
    8.65 5.5 6.9 0.6 1.2
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    表  2  设计的天线与相关天线的性能对比表

    参考文献 中心频率(GHz) 带宽(MHz)/BW (%) 尺寸($ {\lambda _{\text{0}}} $) 基板相对介电常数
    [15] 2.45 400/16.3 0.53×0.53×0.092 4.4
    [16] 2.45 296/12.8 0.285×0.285×0.05 4.4
    [17]
    [18]
    1.575
    2.45
    15/0.95
    110/4.5
    0.073×0.073×0.021
    0.389×0.389×0.005
    68
    6.15
    本设计 2.45 440/17.96 0.37×0.37×0.033 5.9
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    表  3  丢包率测试结果

    距离(m) 丢包率(%)
    5 0
    10 0
    20 0
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    表  4  10 m 处的丢包率测试结果

    方向(°) 丢包率(%)
    0 0
    90 0
    180 0
    270 0
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-27
  • 修回日期:  2025-02-24
  • 网络出版日期:  2025-03-01
  • 刊出日期:  2025-04-01

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