蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析

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  蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般是10 m之内)的无线电技术,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑等众多设备之间进行无线信息交换,工作频段是工业、科研、医疗(2.4~2.483 GHz)全球通信自由频段,目前已经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电磁波的重要器件,目前尚无法整合到半导体芯片中。在蓝牙产品中,蓝牙天线的尺寸和性能决定了整个蓝牙模块的尺寸和性能。随着移动通信的发展,个人移动设备趋于小型化和轻薄化,为了适应这一发展,蓝牙天线的尺寸有了严格的要求。单极子天线尺寸过大,不适应于移动通信设备中。传统的PIFA天线虽然将尺寸减小了一半,但相对快速小型化的移动通信产品而言还是尺寸过大。本文根据传统印制倒F型天线的工作原理,设计了一种折叠PIFA天线,尺寸只有16 mm×4.5 mm,设计简单、制造成本低、工作效率高,适用于蓝牙系统。
  
  1 传统印制倒F型天线的分析
 
  
印制倒F型天线是上世纪末发展起来的一种天线,目前其理论分析都趋于成熟,其应用范围也日趋广泛。他具有结构简单、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,因此近几年印制倒F型天线得到了广泛的研究和发展。
 
  
印制倒F型天线的结构如图1所示,由长为L的终端开路传输线与长为S的终端短路传输线并联而成,当传输线导体线宽d《H,传输线的特性阻抗Z0可以表示为:
蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析

由长线理论可知终端短路和终端开路传输线的输入电抗分别为:
蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析

当忽略损耗时,天线的输入电阻即等于其辐射电阻,由文献给出的倒F型天线的辐射电阻可得天线电阻为:
蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析
  当天线水平部分的长度L=λ/4时,由式可知,天线的输入电抗为0,天线处于谐振状态,即:
蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析
 
  此时天线的输入电阻RPIFA为纯电阻,与间距S无关,只与天线高度H有关,并随天线高度H的增加而增加。
 
  
作为天线的谐振部分,天线水平部分长度L对天线输入阻抗的影响最为直接,当其增加时,天线的输入电阻减小,天线呈感性,反之亦然。通过调整L,可使天线的输入阻抗呈纯阻性,然后再调节天线高度H以使天线的输入电阻接近50 Ω,即不需任何额外的电路即可完成阻抗匹配。
 
  
  2 改善的印制倒F型蓝牙天线
 
   
传统印制倒F型天线虽然性能很高,但是其体积与工作频率基本成正比,所以在日益小型化、超薄化的手机终端中还是显的尺寸过大。

本文以一款支持蓝牙功能的GSM手机为例,通过ANSOFT公司的HFSS 10.0进行仿真,设计一款体积小、性能好的蓝牙天线。手机主板尺寸为103 mm×41.5 mm,由于手机结构造型的要求,蓝牙芯片位于主板的右下方,从而限制了天线也只能位于手机的右下角。因为板子大小非常有限,留给蓝牙天线的尺寸只有16 mm×5 mm,所以很难采用传统PIFA天线。考虑到目前单极子天线普遍采用蜿蜒形式来减少其物理尺寸,所以可将这种形式应用于传统印制倒F型天线,如图2所示。
蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析
  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。手机主板采用FR-4的材料,相对介电常数为4.2,天线馈点采用50 Ω微带线。考虑到手机外壳对天线工作频率的影响,我们在仿真的时候将天线的工作频率提高,选择在2.5 GHz。
蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析
 
  3 试验测试
 
  按照上述软件仿真的结构及尺寸制作天线,如图5所示。为方便测量,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,外导体就近接在手机主板的地上,在同轴电缆的另一端焊SMA接头并连到矢量网络分析仪MS4622B。测试结果如图6所示,回损10 dB带宽约为120 MHz,可完全覆盖蓝牙所工作的ISM频段:2.400~2.483 GHz。
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