新型藍牙PIFA天線(xiàn)設計

0 引言

　　藍牙是一種支持設備短距離通信(一般是1Om之內)的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，能在設備之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信息交換，其工作頻段是2.4～2.483 GHz的全球通信自由頻段，目前已廣泛應用在移動(dòng)通信設備中。天線(xiàn)是藍牙無(wú)線(xiàn)系統中用來(lái)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(wú)法將天線(xiàn)整合至半導體芯片中，故在藍牙模塊里除了核心的系統芯片外，天線(xiàn)是另一個(gè)影響藍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(xiàn)的設計，該天線(xiàn)尺寸小，設計簡(jiǎn)約，制造成本低，工作效率高，適用于藍牙系統應用。

　　1 天線(xiàn)設計

　　倒F型天線(xiàn)是上世紀末發(fā)展起來(lái)的一種天線(xiàn)，具有結構簡(jiǎn)單、重量輕、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實(shí)現多頻段工作等獨特優(yōu)點(diǎn)，因此，近幾年來(lái)，倒F型天線(xiàn)得到了廣泛的應用研究和發(fā)展。

　　倒F天線(xiàn)是在倒L天線(xiàn)abc的垂直元末端加上一個(gè)倒L結構edb構成。它使用附加的edb結構來(lái)調整天線(xiàn)和饋電同軸線(xiàn)的匹配。該天線(xiàn)具有低輪廓結構，輻射場(chǎng)具有水平和垂直兩種極化，另外由于結構緊湊而且具有等方向輻射特性，同時(shí)其良好的接地設計可以有效提高天線(xiàn)的工作效率。圖1所示是典型的倒F型天線(xiàn)結構圖，該天線(xiàn)可以看作是e端短路，a端開(kāi)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(xiàn)的結構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。另外，由于倒F天線(xiàn)只需利用金屬導體配合適當的饋線(xiàn)來(lái)調整天線(xiàn)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(xiàn)在電路板上的布置圖。

　　
倒F型天線(xiàn)在電路板上的布置圖
2 測量基本原理

　　圖3所示是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )分析儀的原理框圖。在對倒F天線(xiàn)進(jìn)行測量時(shí)，先由儀器發(fā)出掃頻信號，并將該信號通過(guò)輸出口送到被測設備，當信號通過(guò)設備后，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(huì )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，即可得出待測設備的傳輸指標，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，則可得出待測設備的反射指標(如反射損耗等)。

　　在對倒F天線(xiàn)進(jìn)行測試時(shí)，應先將高頻導線(xiàn)焊接到PCB上的天線(xiàn)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(3個(gè)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(xiàn)匹配元器件，然后利用網(wǎng)絡(luò )分析儀的Smith圖來(lái)測試天線(xiàn)參數，并運用Smith圓圖進(jìn)行軟件計算，以修改天線(xiàn)長(cháng)度及匹配元件參數值，最終使天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的阻抗、頻率、帶寬、駐波比，達到最優(yōu)化。

　　為了方便測量，可將一特性阻抗為50 Ω的同軸電纜的內導體焊接在與天線(xiàn)饋電點(diǎn)相連的50 Ω微帶線(xiàn)上，而將外導體就近接在藍牙模塊的地上，同時(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò )分析儀測得的Smith圓圖可知，經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò )后的天線(xiàn)阻抗非常接近50 Ω?；負p10 dB時(shí)的帶寬約為90 MHz，可完全覆蓋藍牙所工作的ISM頻段(2.400～2.483 GHz)，且其駐波比小于2，可以滿(mǎn)足藍牙無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的要求。圖4所示是倒F型藍牙天線(xiàn)的測試結果圖。圖5給出了其天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò )的連接示意圖。

　　3 結束語(yǔ)

　　采用本文方法設計的藍牙倒F型天線(xiàn)結構緊湊、高效，便于生產(chǎn)，價(jià)格低廉，在藍牙協(xié)議規定的2.402~2.480GH工作頻段內，完全可以滿(mǎn)足藍牙天線(xiàn)的帶寬要求。同時(shí)，該天線(xiàn)設計靈活，加工容易，并可和射頻芯片組成獨立的射頻收發(fā)裝置，非常適合于短距離的無(wú)線(xiàn)通信系統使用。