藍(lán)牙折疊PIFA天線的設(shè)計與測試

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般是10 m之內(nèi))的無線電技術(shù)，能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換，工作頻段是工業(yè)、科研、醫(yī)療(2.4～2.483 GHz) 全球通信自由頻段，目前已經(jīng)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)中用來傳送電磁波的重要器件，目前尚無法整合到半導(dǎo)體芯片中。在藍(lán)牙產(chǎn)品中，藍(lán)牙天線的尺寸和性能決定了整個藍(lán)牙模塊的尺寸和性能。隨著移動通信的發(fā)展，個人移動設(shè)備趨于小型化和輕薄化，為了適應(yīng)這一發(fā)展，藍(lán)牙天線的尺寸有了嚴(yán)格的要求。單極子天線尺寸過大，不適應(yīng)于移動通信設(shè)備中。傳統(tǒng)的PIFA天線雖然將尺寸減小了一半，但相對快速小型化的移動通信產(chǎn)品而言還是尺寸過大。本文根據(jù)傳統(tǒng)印制倒F型天線的工作原理，設(shè)計了一種折疊PIFA天線，尺寸只有16 mm×4.5 mm，設(shè)計簡單、制造成本低、工作效率高，適用于藍(lán)牙系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)印制倒F型天線的分析

印制倒F型天線是上世紀(jì)末發(fā)展起來的一種天線，目前其理論分析都趨于成熟，其應(yīng)用范圍也日趨廣泛。他具有結(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)，因此近幾年印制倒F型天線得到了廣泛的研究和發(fā)展。

印制倒F型天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由長為L的終端開路傳輸線與長為S的終端短路傳輸線并聯(lián)而成，當(dāng)傳輸線導(dǎo)體線寬d《H，傳輸線的特性阻抗Z0可以表示為：

?

由長線理論可知終端短路和終端開路傳輸線的輸入電抗分別為：

當(dāng)忽略損耗時，天線的輸入電阻即等于其輻射電阻，由文獻(xiàn)給出的倒F型天線的輻射電阻可得天線電阻為：

當(dāng)天線水平部分的長度L=λ/4時，由式可知，天線的輸入電抗為0，天線處于諧振狀態(tài)，即：

此時天線的輸入電阻RPIFA為純電阻，與間距S無關(guān)，只與天線高度H有關(guān)，并隨天線高度H的增加而增加。

作為天線的諧振部分，天線水平部分長度L對天線輸入阻抗的影響最為直接，當(dāng)其增加時，天線的輸入電阻減小，天線呈感性，反之亦然。通過調(diào)整L，可使天線的輸入阻抗呈純阻性，然后再調(diào)節(jié)天線高度H以使天線的輸入電阻接近50 Ω，即不需任何額外的電路即可完成阻抗匹配。

2 改善的印制倒F型藍(lán)牙天線

傳統(tǒng)印制倒F型天線雖然性能很高，但是其體積與工作頻率基本成正比，所以在日益小型化、超薄化的手機(jī)終端中還是顯的尺寸過大。

本文以一款支持藍(lán)牙功能的GSM手機(jī)為例，通過ANSOFT公司的HFSS 10.0進(jìn)行仿真，設(shè)計一款體積小、性能好的藍(lán)牙天線。手機(jī)主板尺寸為103 mm×41.5 mm，由于手機(jī)結(jié)構(gòu)造型的要求，藍(lán)牙芯片位于主板的右下方，從而限制了天線也只能位于手機(jī)的右下角。因?yàn)榘遄哟笮》浅Ｓ邢?，留給藍(lán)牙天線的尺寸只有16 mm×5 mm，所以很難采用傳統(tǒng)PIFA天線?？紤]到目前單極子天線普遍采用蜿蜒形式來減少其物理尺寸，所以可將這種形式應(yīng)用于傳統(tǒng)印制倒F型天線，如圖2所示。

其中：d=0.5 mm，H=4 mm，S=2.3 mm，M=2 mm，N=3 mm，L=5 mm，h=1 mm。手機(jī)主板采用FR-4的材料，相對介電常數(shù)為4.2，天線饋點(diǎn)采用50 Ω微帶線?？紤]到手機(jī)外殼對天線工作頻率的影響，我們在仿真的時候?qū)⑻炀€的工作頻率提高，選擇在2.5 GHz。

3 試驗(yàn)測試

按照上述軟件仿真的結(jié)構(gòu)及尺寸制作天線，如圖5所示。為方便測量，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，外導(dǎo)體就近接在手機(jī)主板的地上，在同軸電纜的另一端焊SMA接頭并連到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4622B。測試結(jié)果如圖6所示，回?fù)p10 dB帶寬約為120 MHz，可完全覆蓋藍(lán)牙所工作的ISM頻段：2.400～2.483 GHz。

為評估該天線在室內(nèi)環(huán)境中的工作性能，本文做如下實(shí)驗(yàn)：分別采用經(jīng)過驗(yàn)證的某廠家介質(zhì)諧振天線和本文的PIFA天線通過藍(lán)牙測試儀測試傳輸數(shù)據(jù)的誤包率。實(shí)驗(yàn)表明，二者性能相當(dāng)。而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，采用該P(yáng)IFA天線的GSM手機(jī)與NOKIA藍(lán)牙耳機(jī)HS-11W通話距離可以達(dá)到15 m以上，符合一般終端測試規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過上述分析及測試結(jié)果可知，改善后的PIFA天線性能符合廠家要求。同時該天線設(shè)計簡潔、靈活，可先根據(jù)電路板實(shí)際尺寸大小選定L和H后，再確定S的大小。該方案成本低、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、饋電方便，完全適于藍(lán)牙應(yīng)用環(huán)境。