蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析

分享到:

  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。
继续阅读
机器学习如何助力5G网络?

机器学习属于工程领域,在过去的十年中,由于计算系统的功能不断增强以及数据的可用性,该领域已显着成熟。与传统系统不同,机器学习为工程师提供了一种工具,不仅可以教其识别模式,还可以从其环境中学习,这有助于随着时间的推移提高其性能。

天线,真的是一根线吗?

这根杆子实际上是伸缩天线(也叫鞭状天线或者拉杆天线),属于天线的一种。天线是一种比较常见的设备,广泛应用于广播、电视、无线电通信、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等领域。所有通过电磁波传输信号的设备都得带着天线。

科普丨发现 5G 的不同之处

所有前代蜂窝连接标准几乎无一例外,都把重心放在消费类通信服务的进步上,例如:升级 Web 浏览功能、提高数据传送速度、增加视频流功能、完善无线连接等。5G 的受众远不止消费者;5G 还将要解决企业、城市、公用事业设施组织等的需求。

中国5G势头猛烈,欧美无奈无法前行?

近日,一篇名为《中国 5G 势头猛,欧美因疫情裹足不前》的文章在国外网站上刊登。文章中表示,中国正在加速新一代通信标准 5G 的普及,而欧美国家因受新冠疫情影响在通信网络建设和支持新机型投放方面的投资明显放缓。

一文搞懂天线与阻抗匹配调试方法

通常对某个频点上的阻抗匹配可利用 SMITH 圆图工具进行,两个器件肯定能搞定,即通过串+并联电感或电容即可实现由圆图上任一点到另一点的阻抗匹配,但这是单频的。而手机天线是双频的,对其中一个频点匹配,必然会对另一个频点造成影响,因此阻抗匹配只能是在两个频段上折衷。