应用于uhf频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线
阅读说明：本技术 应用于uhf频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线 (Miniaturized dual-frequency antenna applied to UHF frequency band and loaded with ferrite medium ) 是由 程简 李永伟 冯全源 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线,属于小型化双频天线设计技术领域,包括设于天线中间层的天线基板、设于天线顶层外围的第一方形谐振环、设于天线顶层内中间的第二方形谐振环、设于天线顶层中心的由短路线连接的矩形贴片、设于天线底层外围的接地方形环和设于天线底层中心并与馈线成45°角的H形带隙结构；所述第一方形谐振环和第二方形谐振环之间远离馈线侧的间隙处加载有矩形Co-(2)W型六角铁氧体介质；本方案提供的加载铁氧体介质的小型化双频天线解决了加载铁氧体的小型化双频天线设计实现的问题,该天线可广泛应用于ISM(915MHz)/GSM900/UMTS的无线设备。(The invention discloses a miniaturized dual-frequency antenna applied to a UHF frequency band and loaded with ferrite medium, belonging to the technical field of miniaturized dual-frequency antenna design, comprising an antenna substrate arranged in the middle layer of the antenna, a first square resonant ring arranged on the periphery of the top layer of the antenna, a second square resonant ring arranged in the middle of the top layer of the antenna, a rectangular patch arranged in the center of the top layer of the antenna and connected by a short circuit line, a grounding square ring arranged on the periphery of the bottom layer of the antenna and an H-shaped band gap structure arranged in the center of the bottom layer of the antenna and forming an angle of 45 degrees with a feeder line; a rectangular Co is loaded at a gap between the first square resonance ring and the second square resonance ring far away from the feeder side 2 W-type hexaferrite media; the loading ferrite provided by the schemeThe miniaturized dual-frequency antenna of the bulk medium solves the problem of design realization of the miniaturized dual-frequency antenna loaded with ferrite, and can be widely applied to ISM (915MHz)/GSM900/UMTS wireless equipment.)
技术领域
本发明属于小型化双频天线设计技术领域，尤其涉及一种应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线。
背景技术
随着5G通信的发展，设备的集成度越来越高，一款无线设备往往需要集成并兼容多个频段的无线系统，为了适应并解决设备工作于多个频段的问题，许多研究组提出了不同的解决方案：一些方案提出通过设计MIMO天线实现无线设备工作在多个频段，然而多入多出的天线系统并不能适用于所有无线设备，尤其是对天线空间非常严格的应用；一些方案中提出了宽带天线的解决方案，然而，小型化低剖面的平面天线的宽带技术实现比较困难。因此，为了充分利用频谱资源，同时满足小型化的需求，多频天线技术是一种优良的解决方案。多频天线技术一直是各个课题组研究的重点方向。某方案中提出了一种加载谐振环SRR和铺铜线的小型化多频圆极化天线，通过SRR结构的加载，可以起到扩展带宽、产生谐振频率和改变辐射极化等作用；在另一方案中，采用耦合电感电容ELC超材料单元的环形单极子天线实现了更好的回波损耗特性；另一方案中提出通过加载六边形互补分裂环形谐振器，天线产生了新的谐振频率；另一方案中提出了多种结构的组合可以产生多频的特性，而地板的改变也可以影响天线的谐振；另一方案中展示了天线在地板上使用SRR的结构可以实现多频圆极化的特性；另一方案中通过加载谐振环组成的超表面MS人工地板可以实现天线双频特性。通过以上研究结果可以总结出加载SRR和MS结构是实现多频天线的一种很好的方法。
同样的，随着电路集成的快速发展，无线通信设备的尺寸越来越小，留给天线的空间越来越小。现有的小型化天线已难以满足日益高度集成化的设备所提供的空间。介质材料加载法是一种有用的、有前途的技术，可以有效改善天线的性能。磁特性和介电特性是许多电子元件所使用的两种主要物理特性。过去，对微波器件小型化的研究相对集中于器件结构的创新和先进的制造封装技术，更多的关注高性能的新材料；现在，同时具有介电性和磁性的铁氧体值得关注。目前，通过改进结构实现天线小型化的研究已达到瓶颈，利用电磁介质实现天线小型化的研究变得越来越重要，研究铁氧体加载天线的高频磁介电特性具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线解决了加载铁氧体的小型化双频天线设计实现的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线，包括设于天线中间层的天线基板、设于天线顶层外围的第一方形谐振环、设于天线顶层内中间的第二方形谐振环、设于天线顶层中心的由短路线连接的矩形贴片、设于天线底层外围的接地方形环和设于天线底层中心并与馈线成45°角的H形金属带隙结构；
所述第一方形谐振环和第二方形谐振环之间远离馈线侧的间隙处加载有矩形Co2W型六角铁氧体介质。
本发明的有益效果为：本发明提供的应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线，在天线顶层采用两个方形谐振环的结构，延长了天线的电流长度，将天线的低频工作频带移至较低频率，天线的工作频带分为190M Hz(1.48-1.67GHz)和420MHz(2.12-2.64GHz)两部分，并且在天线底层采用与馈线成45°角的H形带隙结构起着电磁带隙EBG的作用，以更好的隔离天线的两个工作频带，本方案提供的天线上加载Co2W型六角铁氧体时，天线的低频工作频带将向更低频带移动，等同于实现了天线的小型化，该天线的-10d工作频段分别为890–970MHz(80MHz，925MHz)和1.87–2.24GHz(370MHz，2.175GHz)，可广泛应用于ISM(915MHz)/GSM900/UMTS的无线设备。
进一步地，所述天线基板采用长、宽和厚度h分别为50mm×50mm×1.6mm的FR4环氧玻璃布层压板，且所述FR4环氧玻璃布层压板的介电常数为4.4，介电损耗为0.02，其中，天线基板的长、宽与所述接地方形环的外侧宽W尺寸相同。。
采用上述进一步方案的有益效果为：所述天线基板尺寸小，且采用的FR4级的环氧玻璃布层压板以环氧树脂作为粘合剂经热压而成的层压制品，高温下机械强度高，高湿环境下仍旧具有稳定电气性能。
进一步地，所述小型化双频天线包括以下结构参数：
所述接地方形环的外侧宽W为50mm；
所述矩形Co2W型六角铁氧体介质的长LFe为33mm；
所述矩形Co2W型六角铁氧体介质的宽WFe为7mm；
所述第一方形谐振环的外侧长Lsr1为34mm；
所述第二方形谐振环的外侧长Lsr2为28.6mm；
所述第一方形谐振环的环宽d为1.5mm；
所述短路线的宽WSt为1.5mm；
所述馈线的长Lf为10.7mm；
所述馈线的宽Wf为1.5mm；
所述接地方形环的环宽Wsr为5mm；
所述H形带隙结构的长LH为18mm；
所述矩形贴片的长Lp为22.6mm；
所述第一方形谐振环和第二方形谐振环之间的间隙宽Ws1为1.2mm；
所述第二方形谐振环和矩形贴片之间的间隙宽Ws2为1.7mm；
所述H形带隙结构的带线宽WH为1mm；
所述H形带隙结构的中间连接段长度Lh为7mm。
采用上述进一步方案的有益效果为：以上设计参数实现了本发明在两个工作频带190M Hz(1.48-1.67GHz)和420MHz(2.12-2.64GHz)良好的双频响应，使得天线具有较好的选择性和带外抑制度，且实现了天线的小型化。
进一步地，所述接地方形环用于生成带宽为1.04GHz的Ant1天线。
采用上述进一步方案的有益效果为：用于区分在增加H形带隙结构前后，H形金属带线的电磁带隙作用。
进一步地，所述接地方形环内增加H形带隙结构构成Ant2天线；所述Ant2天线的工作频段分别为190MHz和420MHz；
采用上述进一步方案的有益效果为：所述Ant2天线适用于GPS 1575.42MHz、ISM2.4GHz和LTE 2300MHz。
进一步地，所述矩形Co2W型六角铁氧体介质厚度为0.6mm、相对介电常数为14。
采用上述进一步方案的有益效果为：所述矩形Co2W型六角铁氧体介质相对介电常数随频率增加变化稳定，其磁导率随频率增加急剧下降，随着磁导率的增加，天线在低频工作频带内的谐振频率减小，且所述天线电流集中于矩形Co2W型六角铁氧体处，天线峰值增益稳定，加载Co2W型六角铁氧体的天线的辐射性能更稳定，天线上加载Co2W型六角铁氧体时，天线的低频工作频带将向更低频带移动，等同于实现了天线的小型化。
附图说明
图1(a)为本发明实施例中应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线的顶层结构图。
图1(b)为本发明实施例中应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线的底层结构图。
图1(c)为本发明实施例中应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线的侧面结构图。
图2(a)为本发明实施例中应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线的顶层结构几何参数图。
图2(b)为本发明实施例中应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线的底层结构几何参数图。
图2(c)为本发明实施例中应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线的侧面结构几何参数图。
图3(a)为本发明实施例中Ant1天线示意图。
图3(b)为本发明实施例中Ant2天线示意图。
图3(c)为本发明实施例中Ant2天线的仿真S11结果图。
图3(d)为本发明实施例中Ant2天线的仿真S11结果图。
图4(a)为本发明实施例中CO2W型六角铁氧体介质的介电常数和磁导率示意图。
图4(b)为本发明实施例中不加载铁氧体介质的天线与加载不同磁导率铁氧体的天线的仿真S11对比结果图。
图5为本发明实施例中加载Co2W型六角铁氧体介质的天线的仿真和测试S11结果图。
图6(a)为本发明实施例中天线的实测的E面，0.925GHz的2D辐射方向图。
图6(b)为本发明实施例中天线的实测的E面，2.175GHz的2D辐射方向图。
图6(c)为本发明实施例中天线的实测的H面，0.925GHz的2D辐射方向图。
图6(d)为本发明实施例中天线的实测的H面，2.175GHz的2D辐射方向图。
图7为为本发明实施例中天线加载Co2W型六角铁氧体介质和不加载Co2W型六角铁氧体介质的实测增益对比图。
其中：1、天线基板；2、第一方形谐振环；3、第二方形谐振环；4、短路线；5、矩形贴片；6、接地方形环；7、馈线；8、H形带隙结构；9、矩形CO2W型六角铁氧体介质。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线，包括设于天线中间层的天线基板1、设于天线顶层外围的第一方形谐振环2、设于天线顶层内中间的第二方形谐振环3、设于天线顶层中心的由短路线4连接的矩形贴片5、设于天线底层外围的接地方形环6和设于天线底层中心并与馈线7成45°角的H形带隙结构8；
所述第一方形谐振环2和第二方形谐振环3之间远离馈线7侧的间隙处加载有矩形Co2W型六角铁氧体介质9，其中Patch表示天线顶层，Substrate表示天线基板，Ground表示天线底层，Ferrite表示CO2W型六角铁氧体介质。
所述天线基板1采用长、宽和厚度h分别为50mm×50mm×1.6mm的FR4环氧玻璃布层压板，且所述FR4环氧玻璃布层压板的介电常数为4.4，介电损耗为0.02，其中，天线基板(1)的长、宽与所述接地方形环(6)的外侧宽W尺寸相同；
所述天线基板1尺寸小，且采用的FR4级的环氧玻璃布层压板以环氧树脂作为粘合剂经热压而成的层压制品，高温下机械强度高，高湿环境下仍旧具有稳定电气性能。
如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，所述小型化双频天线包括以下结构参数：
所述接地方形环6的外侧宽W为50mm；
所述矩形Co2W型六角铁氧体介质9的长LFe为33mm；
所述矩形Co2W型六角铁氧体介质9的宽WFe为7mm；
所述第一方形谐振环2的外侧长Lsr1为34mm；
所述第二方形谐振环3的外侧长Lsr2为28.6mm；
所述第一方形谐振环2的环宽d为1.5mm；
所述短路线4的宽WSt为1.5mm；
所述馈线7的长Lf为10.7mm；
所述馈线7的宽Wf为1.5mm；
所述接地方形环6的环宽Wsr为5mm；
所述H形带隙结构8的长LH为18mm；
所述矩形贴片5的长Lp为22.6mm；
所述第一方形谐振环2和第二方形谐振环3之间的间隙宽Ws1为1.2mm；
所述第二方形谐振环和矩形贴片5之间的间隙宽Ws2为1.7mm；
所述H形带隙结构8的带线宽WH为1mm；
所述H形带隙结构8的中间连接段长度Lh为7mm；
以上设计参数实现了本发明在两个工作频带190M Hz(1.48-1.67GHz)和420MHz(2.12-2.64GHz)良好的双频响应，使得天线具有较好的选择性和带外抑制度，且实现了天线的小型化。
所述小型化双频天线包括以下结构参数的参数对照表如表一所示：
表1
参数
单位：mm
参数
单位：mm
W
50
W<sub>f</sub>
1.5
H
1.6
W<sub>srt</sub>
5
L<sub>Fe</sub>
33
L<sub>H</sub>
18
W<sub>Fe</sub>
7
L<sub>p</sub>
22.6
L<sub>sr</sub>
34
W<sub>s1</sub>
1.2
L<sub>sr2</sub>
28.6
W<sub>s2</sub>
1.7
d
1.5
W<sub>H</sub>
1
W<sub>St</sub>
1.5
L<sub>h</sub>
7
L<sub>f</sub>
10.7
所述接地方形环6用于生成带宽为1.04GHz的Ant1天线；
所述Anti1天线用于区分在增加H形带隙结构8前后，H形金属带线的电磁带隙作用。
所述接地方形环6内增加H形带隙结构8构成Ant2天线；所述Ant2天线的工作频段分别为190MHz和420MHz。
所述矩形Co2W型六角铁氧体介质9厚度为0.6mm、相对介电常数为14；所述矩形Co2W型六角铁氧体介质9相对介电常数随频率增加变化稳定，其磁导率随频率增加急剧下降，随着磁导率的增加，天线在低频工作频带内的谐振频率减小，且所述天线电流集中于矩形Co2W型六角铁氧体处，天线峰值增益稳定，加载Co2W型六角铁氧体的天线的辐射性能更稳定，天线上加载Co2W型六角铁氧体时，天线的低频工作频带将向更低频带移动，等同于实现了天线的小型化。
如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示，在本发明的另一个实实例中，本方案采用接地方形环6和馈线7实现Ant1天线，可以生成工作带宽为1.04GHz(1.6-2.64GHz)的天线；并采用接地方形环6、馈线7和与馈线成45°角的H形带隙结构8实现Ant2天线，Ant2的工作频段分为190MHz(1.48-1.67GHz)和420MHz(2.12-2.64GHz)两部分，所述H形带隙结构8起着电磁带隙(EBG)的作用，通过EBG结构进行了优化，以更好地隔离天线的两个工作频带，通过对Ant1天线和Ant2天线的仿真S11结果对比发现Ant2天线适用于GPS 1575.42MHz，ISM2.4GHz，LTE 2300(2135-2400MHz)等应用场景，具有广阔的实际应用需求，本发明提供的应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线即采用的Ant2天线的EBG结构。
如图4(a)所示，在本发明的另一个实施例中，本发明使用Keysight材料测量套件对该铁氧体的电磁参数进行测量，其介电常数随频率增加相对稳定，但其磁导率随频率增加急剧降低，因此，铁氧体负载应该对天线的低频工作频带有较大的影响；
如图4(b)所示，本方案采用了相同介电常数且磁导率不同的铁氧体加载到天线上，并对天线的仿真S11，仿真中仅改变了铁氧体的磁导率(截止到1.5GHz)，随着磁导率的增加，天线在低频工作频带内的谐振频率向左移动，因此，根据仿真结果当本发明提出的应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线上加载有Co2W型六角铁氧体时，天线的低频工作频带将向更低频带移动，等同于实现了天线的小型化；
如图5所示，为本发明提出的应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线仿真与实测S11结果对比图，可以得到，实测性能与仿真结果十分相近，仿真结果与测试结果之间的误差是由加工工艺和测试环境造成的。
如图6(a)和图6(b)所示，在本发明的另一个实施例中，为了研究铁氧体加载对天线辐射特性的影响，对天线加载铁氧体后天线电流分布进行了对比，通过图6(a)和图6(b)比较可得出，在加载铁氧体时，采用该结构的天线的电流集中在铁氧体附近，通过图6(c)和图6(d)比较可得出，在2.175GHz左右，铁氧体加载对天线的影响不明显，即铁氧体的加载主要对天线的低频带影响更明显。
如图7所示，在本发明的另一个实施例中，对本发明提供的应用于UHF频段的加载铁氧体介质的小型化双频天线进行峰值增益测试，测试结果通过对比发现加载Co2W型六角铁氧体的天线的辐射性能更稳定，且与现有的多频段天线进行比较可发现，本方案提出的天线具有更小型化的尺寸和合理的阻抗带宽。
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