新型藍(lán)牙PIFA天線設(shè)計

0 引言

　　藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般是1Om之內(nèi))的無線電技術(shù)，能在設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換，其工作頻段是2.4～2.483 GHz的全球通信自由頻段，目前已廣泛應(yīng)用在移動通信設(shè)備中。天線是藍(lán)牙無線系統(tǒng)中用來傳送與接收電磁波能量的重要必備組件。由于目前技術(shù)尚無法將天線整合至半導(dǎo)體芯片中，故在藍(lán)牙模塊里除了核心的系統(tǒng)芯片外，天線是另一個影響藍(lán)牙模塊傳輸特性的關(guān)鍵性組件。本文給出了一款倒F型天線的設(shè)計，該天線尺寸小，設(shè)計簡約，制造成本低，工作效率高，適用于藍(lán)牙系統(tǒng)應(yīng)用。

　　1 天線設(shè)計

　　倒F型天線是上世紀(jì)末發(fā)展起來的一種天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實(shí)現(xiàn)多頻段工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此，近幾年來，倒F型天線得到了廣泛的應(yīng)用研究和發(fā)展。

　　倒F天線是在倒L天線abc的垂直元末端加上一個倒L結(jié)構(gòu)edb構(gòu)成。它使用附加的edb結(jié)構(gòu)來調(diào)整天線和饋電同軸線的匹配。該天線具有低輪廓結(jié)構(gòu)，輻射場具有水平和垂直兩種極化，另外由于結(jié)構(gòu)緊湊而且具有等方向輻射特性，同時其良好的接地設(shè)計可以有效提高天線的工作效率。圖1所示是典型的倒F型天線結(jié)構(gòu)圖，該天線可以看作是e端短路，a端開路的諧振器，所以，a端電壓最大，電流為零，e端電壓為零，電流最大。由于倒F天線的結(jié)構(gòu)中包含了接地的金屬面，可以降低對射頻模塊中接地金屬面的敏感度，因此非常適合用于片上系統(tǒng)。另外，由于倒F天線只需利用金屬導(dǎo)體配合適當(dāng)?shù)酿伨€來調(diào)整天線短路端到接地面的位置，因而制作成本較低，可以直接與PCB電路板焊接在一起。圖2所示為倒F型天線在電路板上的布置圖。

　　
倒F型天線在電路板上的布置圖
2 測量基本原理

　　圖3所示是一個網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理框圖。在對倒F天線進(jìn)行測量時，先由儀器發(fā)出掃頻信號，并將該信號通過輸出口送到被測設(shè)備，當(dāng)信號通過設(shè)備后，再送回網(wǎng)絡(luò)分析儀。

　　
網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理框圖

　　由于待測設(shè)備的輸入阻抗與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出阻抗不可能理想匹配，因而必然會發(fā)射一部分信號。這樣，網(wǎng)絡(luò)分析儀對輸出與輸入信號進(jìn)行比較，即可得出待測設(shè)備的傳輸指標(biāo)，如增益、插入損失、分配損失等;而對輸出和反射信號進(jìn)行對比，則可得出待測設(shè)備的反射指標(biāo)(如反射損耗等)。

　　在對倒F天線進(jìn)行測試時，應(yīng)先將高頻導(dǎo)線焊接到PCB上的天線測試點(diǎn)，然后再連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀，并進(jìn)行重新校準(zhǔn)(3個mark點(diǎn)頻率分別為2.402 GHz，2.440 GHz與2.480 GHz)，之后再焊接天線匹配元器件，然后利用網(wǎng)絡(luò)分析儀的Smith圖來測試天線參數(shù)，并運(yùn)用Smith圓圖進(jìn)行軟件計算，以修改天線長度及匹配元件參數(shù)值，最終使天線網(wǎng)絡(luò)的阻抗、頻率、帶寬、駐波比，達(dá)到最優(yōu)化。

　　為了方便測量，可將一特性阻抗為50 Ω的同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體焊接在與天線饋電點(diǎn)相連的50 Ω微帶線上，而將外導(dǎo)體就近接在藍(lán)牙模塊的地上，同時在同軸電纜的另一端焊SMA接頭并連到Agilent網(wǎng)絡(luò)分析儀N3382A。這樣，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的Smith圓圖可知，經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)后的天線阻抗非常接近50 Ω?；?fù)p10 dB時的帶寬約為90 MHz，可完全覆蓋藍(lán)牙所工作的ISM頻段(2.400～2.483 GHz)，且其駐波比小于2，可以滿足藍(lán)牙無線電技術(shù)的要求。圖4所示是倒F型藍(lán)牙天線的測試結(jié)果圖。圖5給出了其天線匹配網(wǎng)絡(luò)的連接示意圖。

　　3 結(jié)束語

　　采用本文方法設(shè)計的藍(lán)牙倒F型天線結(jié)構(gòu)緊湊、高效，便于生產(chǎn)，價格低廉，在藍(lán)牙協(xié)議規(guī)定的2.402~2.480GH工作頻段內(nèi)，完全可以滿足藍(lán)牙天線的帶寬要求。同時，該天線設(shè)計靈活，加工容易，并可和射頻芯片組成獨(dú)立的射頻收發(fā)裝置，非常適合于短距離的無線通信系統(tǒng)使用。