一、为什么选择 LCP（Liquid Crystal Polymer）

LCP 是当前 UWB 天线常用的高性能基材之一，核心优势包括：

• 介电常数低且稳定：典型 εr≈2.9–3.3，有利于宽带和小型化。

• 损耗低：损耗正切 tanδ 可低至 0.002~0.005，适合高频低损耗场景。

• 吸湿性极低：远低于 PI、FR4，可保证工作频点不随湿度漂移。

• 可做多层柔性叠层：黏结层可控、柔性好，可实现微带/带线/巴伦/屏蔽集成。

工程启示：
LCP 尤其适合 3–20 GHz 的 UWB、毫米波、柔性电子、天线模块化集成。

二、适合的 UWB 天线拓扑

在多层 LCP 结构中，最实用的拓扑：

1. Vivaldi / 椭圆指数槽 TSA

• 覆盖极高带宽

• 指向性强（端火）

• 易于与多层微带/带线喂电集成

2. 平面开槽 UWB 天线（slot antenna）

• 剖面极低

• 匹配易调、带宽天然宽

3. CPW / 微带复合结构

• 适用于需要共面馈电或对称结构时

4. 多层集成巴伦 + 印刷辐射体

• LCP 的多层能力可将巴伦埋入内层，匹配更宽，辐射更稳定

三、多层 LCP 叠层结构设计要点

推荐基础叠层：

• 顶层铜（天线）

• LCP 介质（0.1–0.3 mm）

• 内层铜（接地、或馈线）

• LCP 介质（0.1–0.3 mm）

• 底层铜（地、屏蔽或其他功能层）

关键要点：

● 介质厚度

• 越薄：高频性能更好，匹配更敏感

• 越厚：带宽更宽，但尺寸会变大
  典型总厚度 0.2–0.6 mm。

● 铜厚与表面粗糙度

• 高频（>5 GHz）需要 1 oz 或以下并控制铜面粗糙度

• 表面粗糙度越低 → 插损越低

● 过孔与地层

• 端火天线常需沿边缘布 过孔围栏（via fence） 来控制漏能

• 多层 LCP 压合温度敏感，制造时需严格执行供应商工艺

四、关键电磁设计规则（工程常用）

1. 最低频点决定天线长度

UWB 最低频率 fL 对应的 Vivaldi 有效长度约为：

$$L \approx 0.4 \sim 0.6 \times \lambda_0$$

例如：
3 GHz → λ0 = 100 mm → L ≈ 40–60 mm

2. 喇叭口宽度（W）

通常为 0.6–1.0×L
口越宽，增益越高，但方向图会变化。

3. 微带/带线馈电

50Ω 微带的宽度由公式：

$$W = \frac{8h e^{A}}{e^{2A} - 2}$$

其中：

$$A = \frac{Z_0}{60} \sqrt{\frac{\varepsilon_r + 1}{2}} + \frac{\varepsilon_r - 1}{\varepsilon_r + 1}(0.23 + \frac{0.11}{\varepsilon_r})$$

4. 巴伦/阻抗变换

UWB 天线需要足够宽带的 Balun，该结构建议：

• 微带→带线过渡

• 阶梯阻抗变换

• 指数/椭圆形渐变

埋入内层可减少寄生效应。

5. 辐射效率优化

• 减少介质覆盖（辐射部分尽量靠空气）

• 增加铜厚、降低金属表面粗糙度

• 避免狭缝尖角集中电流造成局部亏损

五、仿真策略（HFSS / CST）

1. 建模

• LCP 材料保持 εr、tanδ 在多个频点的真实模型

• 铜设置为有限导电率 + 表面粗糙度（若仿真软件支持）

2. 边界条件

• UWB 建议使用 波端口（Wave Port）

• 边界距离应保持 ≥0.5λ（最低频）

3. 网格

• 高频部分采用局部细化

• 最佳网格规则：≈λ/20 至 λ/30（按最高频）

4. 参数扫描

重点扫描参数（常用）：

• 指数槽曲线常数（a、b）

• 喇叭口宽

• 喂电缝隙尺寸

• 巴伦长度与阻抗

六、参数化优化流程（实用）

推荐目标函数（可直接在仿真软件使用）：

$$F = w_1 |S_{11}| + w_2 (1 - \eta) + w_3 \text{(群延迟波动)}$$

推荐算法：

• 3–8 参数：局部搜索 + 粗扫

• 10+ 参数：粒子群（PSO）或遗传算法（GA）

• 高频系统：GA + 局部梯度混合优化更有效

七、降低损耗与提高效率的技巧

1. 增厚铜层 或使用低粗糙度铜面

2. 减少介质损耗路径：辐射体外露或靠空气层

3. 合理的过孔围栏：抑制侧向泄漏

4. 避免尖角和太窄的电流路径

5. 内层阻抗连续渐变（不要突然变化）

八、测量要点（样机阶段）

1. VNA 校准：UWB 建议使用 TRL 或端接校准

2. 探头测试需去嵌（De-embedding）

3. 群延迟测量：对 UWB 很关键

4. 辐射与效率测量：在多个频点（例如每 500 MHz）测量方向图与增益

5. LCP 样板加工注意：压合温度和压力不当会导致 εr、厚度偏差

九、示例设计（可直接仿真）

目标频段：3.1–10.6 GHz UWB

示例参数：

• 总长度 L：50 mm

• 口宽 W：35–45 mm

• LCP εr = 3.0、tanδ = 0.003

• 叠层：0.2 mm（天线层） + 0.2 mm（内层）

• 铜厚：18 μm

起点参数（可直接放入仿真）：

• 喇叭指数曲线：
  $y = c \cdot e^{ax} + b$（c、a、b 由增益需求微调）

• 微带宽度：约 0.4–0.6 mm（按 50Ω 计算）

• 巴伦长度：6–10 mm，推荐 2–3 段渐变

• 过孔围栏：直径 0.3–0.5 mm，间距 1–1.5 mm

十、常见问题与对策