一種適用于藍牙的折疊PIFA天線(xiàn)的設計和分析

　　藍牙是一種支持設備短距離通信(一般是10 m之內)的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，能在包括移動(dòng)電話(huà)、PDA、無(wú)線(xiàn)耳機、筆記本電腦等眾多設備之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信息交換，工作頻段是工業(yè)、科研、醫療(2.4～2.483 GHz)全球通信自由頻段，目前已經(jīng)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)傳送電磁波的重要器件，目前尚無(wú)法整合到半導體芯片中。在藍牙產(chǎn)品中，藍牙天線(xiàn)的尺寸和性能決定了整個(gè)藍牙模塊的尺寸和性能。隨著(zhù)移動(dòng)通信的發(fā)展，個(gè)人移動(dòng)設備趨于小型化和輕薄化，為了適應這一發(fā)展，藍牙天線(xiàn)的尺寸有了嚴格的要求。單極子天線(xiàn)尺寸過(guò)大，不適應于移動(dòng)通信設備中。傳統的PIFA天線(xiàn)雖然將尺寸減小了一半，但相對快速小型化的移動(dòng)通信產(chǎn)品而言還是尺寸過(guò)大。本文根據傳統印制倒F型天線(xiàn)的工作原理，設計了一種折疊PIFA天線(xiàn)，尺寸只有16 mm×4.5 mm，設計簡(jiǎn)單、制造成本低、工作效率高，適用于藍牙系統。

　　1 傳統印制倒F型天線(xiàn)的分析

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

　　印制倒F型天線(xiàn)的結構如圖1所示，由長(cháng)為L(cháng)的終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)與長(cháng)為S的終端短路傳輸線(xiàn)并聯(lián)而成，當傳輸線(xiàn)導體線(xiàn)寬d《H，傳輸線(xiàn)的特性阻抗Z0可以表示為：

　　由長(cháng)線(xiàn)理論可知終端短路和終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)的輸入電抗分別為：

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

　　當天線(xiàn)水平部分的長(cháng)度L=λ／4時(shí)，由式可知，天線(xiàn)的輸入電抗為0，天線(xiàn)處于諧振狀態(tài)，即：

　　此時(shí)天線(xiàn)的輸入電阻RPIFA為純電阻，與間距S無(wú)關(guān)，只與天線(xiàn)高度H有關(guān)，并隨天線(xiàn)高度H的增加而增加。

　　作為天線(xiàn)的諧振部分，天線(xiàn)水平部分長(cháng)度L對天線(xiàn)輸入阻抗的影響最為直接，當其增加時(shí)，天線(xiàn)的輸入電阻減小，天線(xiàn)呈感性，反之亦然。通過(guò)調整L，可使天線(xiàn)的輸入阻抗呈純阻性，然后再調節天線(xiàn)高度H以使天線(xiàn)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型藍牙天線(xiàn)

　　傳統印制倒F型天線(xiàn)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、超薄化的手機終端中還是顯的尺寸過(guò)大。

　　本文以一款支持藍牙功能的GSM手機為例，通過(guò)ANSOFT公司的HFSS 10.0進(jìn)行仿真，設計一款體積小、性能好的藍牙天線(xiàn)。手機主板尺寸為103 mm×41.5 mm，由于手機結構造型的要求，藍牙芯片位于主板的右下方，從而限制了天線(xiàn)也只能位于手機的右下角。因為板子大小非常有限，留給藍牙天線(xiàn)的尺寸只有16 mm×5 mm，所以很難采用傳統PIFA天線(xiàn)?？紤]到目前單極子天線(xiàn)普遍采用蜿蜒形式來(lái)減少其物理尺寸，所以可將這種形式應用于傳統印制倒F型天線(xiàn)，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。手機主板采用FR-4的材料，相對介電常數為4.2，天線(xiàn)饋點(diǎn)采用50 Ω微帶線(xiàn)?？紤]到手機外殼對天線(xiàn)工作頻率的影響，我們在仿真的時(shí)候將天線(xiàn)的工作頻率提高，選擇在2.5 GHz。

　　3 試驗測試

　　按照上述軟件仿真的結構及尺寸制作天線(xiàn)，如圖5所示。為方便測量，將一特性阻抗為50 Ω的同軸電纜的內導體焊接在與天線(xiàn)饋電點(diǎn)相連的50 Ω微帶線(xiàn)上，外導體就近接在手機主板的地上，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。測試結果如圖6所示，回損10 dB帶寬約為120 MHz，可完全覆蓋藍牙所工作的ISM頻段：2.400～2.483 GHz。

　　為評估該天線(xiàn)在室內環(huán)境中的工作性能，本文做如下實(shí)驗：分別采用經(jīng)過(guò)驗證的某廠(chǎng)家介質(zhì)諧振天線(xiàn)和本文的PIFA天線(xiàn)通過(guò)藍牙測試儀測試傳輸數據的誤包率。實(shí)驗表明，二者性能相當。而在實(shí)際應用當中，采用該PIFA天線(xiàn)的GSM手機與NOKIA藍牙耳機HS-11W通話(huà)距離可以達到15 m以上，符合一般終端測試規范要求。

　　4 結語(yǔ)

　　通過(guò)上述分析及測試結果可知，改善后的PIFA天線(xiàn)性能符合廠(chǎng)家要求。同時(shí)該天線(xiàn)設計簡(jiǎn)潔、靈活，可先根據電路板實(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、結構緊湊、饋電方便，完全適于藍牙應用環(huán)境。