蓝牙倒F型天线的设计与测量

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0 引言

        蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般是1Om之内)的无线电技术,能在设备之间进行无线信息交换,其工作频段是2.4~2.483 GHz的全球通信自由频段,目前已广泛应用在移动通信设备中。天线是蓝牙无线系统中用来传送与接收电磁波能量的重要必备组件。由于目前技术尚无法将天线整合至半导体芯片中,故在蓝牙模块里除了核心的系统芯片外,天线是另一个影响蓝牙模块传输特性的关键性组件。本文给出了一款倒F型天线的设计,该天线尺寸小,设计简约,制造成本低,工作效率高,适用于蓝牙系统应用。

1 天线设计

        倒F型天线是上世纪末发展起来的一种天线,具有结构简单、重量轻、可共形、制造成本低、辐射效率高、容易实现多频段工作等独特优点,因此,近几年来,倒F型天线得到了广泛的应用研究和发展。

        倒F天线是在倒L天线abc的垂直元末端加上一个倒L结构edb构成。它使用附加的edb结构来调整天线和馈电同轴线的匹配。该天线具有低轮廓结构,辐射场具有水平和垂直两种极化,另外由于结构紧凑而且具有等方向辐射特性,同时其良好的接地设计可以有效提高天线的工作效率。图1所示是典型的倒F型天线结构图,该天线可以看作是e端短路,a端开路的谐振器,所以,a端电压最大,电流为零,e端电压为零,电流最大。由于倒F天线的结构中包含了接地的金属面,可以降低对射频模块中接地金属面的敏感度,因此非常适合用于片上系统。另外,由于倒F天线只需利用金属导体配合适当的馈线来调整天线短路端到接地面的位置,因而制作成本较低,可以直接与PCB电路板焊接在一起。图2所示为倒F型天线在电路板上的布置图。

2 测量基本原理

        图3所示是一个网络分析仪的原理框图。在对倒F天线进行测量时,先由仪器发出扫频信号,并将该信号通过输出口送到被测设备,当信号通过设备后,再送回网络分析仪。

        由于待测设备的输入阻抗与网络分析仪的输出阻抗不可能理想匹配,因而必然会发射一部分信号。这样,网络分析仪对输出与输入信号进行比较,即可得出待测设备的传输指标,如增益、插入损失、分配损失等;而对输出和反射信号进行对比,则可得出待测设备的反射指标(如反射损耗等)。

        在对倒F天线进行测试时,应先将高频导线焊接到PCB上的天线测试点,然后再连接到网络分析仪,并进行重新校准(3个mark点频率分别为2.402 GHz,2.440 GHz与2.480 GHz),之后再焊接天线匹配元器件,然后利用网络分析仪的Smith图来测试天线参数,并运用Smith圆图进行软件计算,以修改天线长度及匹配元件参数值,最终使天线网络的阻抗、频率、带宽、驻波比,达到最优化。

        为了方便测量,可将一特性阻抗为50 Ω的同轴电缆的内导体焊接在与天线馈电点相连的50 Ω微带线上,而将外导体就近接在蓝牙模块的地上,同时在同轴电缆的另一端焊SMA接头并连到Agilent网络分析仪N3382A。这样,通过网络分析仪测得的Smith圆图可知,经过匹配网络后的天线阻抗非常接近50 Ω。回损10 dB时的带宽约为90 MHz,可完全覆盖蓝牙所工作的ISM频段(2.400~2.483 GHz),且其驻波比小于2,可以满足蓝牙无线电技术的要求。图4所示是倒F型蓝牙天线的测试结果图。图5给出了其天线匹配网络的连接示意图。

3 结束语

        采用本文方法设计的蓝牙倒F型天线结构紧凑、高效,便于生产,价格低廉,在蓝牙协议规定的2.402~2.480GH工作频段内,完全可以满足蓝牙天线的带宽要求。同时,该天线设计灵活,加工容易,并可和射频芯片组成独立的射频收发装置,非常适合于短距离的无线通信系统使用。



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