一種用于藍(lán)牙終端的小型天線設(shè)計(jì)

郝宏剛，胡文帥，田海燕

(重慶郵電大學(xué)a.光電工程學(xué)院;b.通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065)

藍(lán)牙工作在全球開放的ISM(2.4～2.484 GHz)頻段，是一種用于近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，目前已經(jīng)在很多終端設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。在藍(lán)牙模塊的所有器件中，天線對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響至關(guān)重要。由于藍(lán)牙設(shè)備種類繁多，天線在結(jié)構(gòu)和選材上存在差異，因此選用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以起到提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、降低制造成本、易于和其他部件共形等作用?－2］。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，個(gè)人移動(dòng)設(shè)備趨于小型化和輕薄化，對(duì)藍(lán)牙天線也有了更高的要求。為了適應(yīng)這一需求，藍(lán)牙天線的小型化設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前天線研究的重要課題。

由于倒F型天線具有極化特性、阻抗匹配特性相對(duì)較靈活、成本較低等特點(diǎn)，因此被廣泛使用在藍(lán)牙裝置中。尺寸相對(duì)較大已成為藍(lán)牙天線設(shè)計(jì)所面臨的問題［3］，例如文獻(xiàn)［4］、［5］、［6］、［7］中所設(shè)計(jì)的藍(lán)牙天線的尺寸分別為16 mm ×8 mm ×7.5 mm，19.5 mm ×9.5 mm ×4 mm，33 mm ×6.6 mm ×0.8 mm，42 mm ×46 mm ×1 mm。因此，為了滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，天線的尺寸需要進(jìn)一步減小。平面倒F天線的小型化方法主要有曲流技術(shù)、提高介電常數(shù)、短路加載、電阻加載和附加集總原件等［8］。

基于上述倒F型天線的特點(diǎn)以及天線小型化的相關(guān)技術(shù)，本文主要采用曲流技術(shù)對(duì)平面倒F天線進(jìn)行小型化改進(jìn)設(shè)計(jì)，研究各種主要參數(shù)對(duì)天線性能造成的影響，并對(duì)天線進(jìn)行加工和測(cè)試分析。

1 天線設(shè)計(jì)

PIFA天線由輻射貼片、短路貼片、饋電點(diǎn)、接地面和介質(zhì)等組成，其結(jié)構(gòu)類似于1/4波長(zhǎng)的單極子天線。輻射貼片通過短路貼片與接地面相連，使用阻抗為50 Ω的同軸饋電，介質(zhì)層為空氣，其相對(duì)介電常數(shù)為εr=1。將短路貼片置于輻射貼片與接地板之間，增加了天線的有效電感，從而使矩形輻射貼片的電長(zhǎng)度減?。?］。PIFA天線的尺寸近似由式(1)確定［10］，即

式中:f為諧振頻率，c為自由空間光速，L和W分別為輻射貼片的長(zhǎng)度和寬度。由式(1)可以得出，矩形輻射貼片的長(zhǎng)邊和寬邊之和近似等于λ/4。

在理論分析的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)的小型化，文章采用曲流技術(shù)，在PIFA天線輻射貼片上開了3個(gè)縫隙，構(gòu)成了一個(gè)縫隙陣列，如圖1所示。天線的建模模型如圖2所示。

結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)需要，文中藍(lán)牙天線設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:中心頻率 f0=2.45 GHz，帶寬 BW=90 MHz，回波損耗 S11＜－50 dB，駐波比 VSWR ＜ 2.0，尺寸為 11 mm × 9 mm ×6 mm，增益 G=2.3 dB。

2 仿真分析與測(cè)試

為了獲得更好的天線性能，需要對(duì)天線的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過初步的仿真分析，發(fā)現(xiàn)主要影響天線性能的3個(gè)參數(shù)主要為縫隙1與饋電點(diǎn)中心的距離(t)、縫隙1的長(zhǎng)度(L1)和短路壁的位置(k)。仿真優(yōu)化后確定天線的尺寸為:W=9 mm，L=11 mm，h=6 mm，W1=3 mm，W2=2 mm，W3=6.5 mm，L1=L2=L3=10.5 mm，縫隙1、縫隙2、縫隙3的寬度均為1 mm，接地板的尺寸為60 mm×40 mm，饋電方式采用同軸饋電?；谏鲜鼋o定尺寸，在其他參數(shù)不變的情況下，分別討論3個(gè)參數(shù)之一發(fā)生變化時(shí)，對(duì)天線的帶寬、諧振頻率和回波損耗的影響。

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，縫隙1的長(zhǎng)度和位置對(duì)天線的阻抗特性有一定的影響。圖3所示為縫隙1的長(zhǎng)度變化對(duì)天線回波損耗的影響，從圖3可知，縫隙1的長(zhǎng)度為8.5 mm，9.5 mm，10.5 mm時(shí)，天線的諧振帶寬基本一致。隨著縫隙1的長(zhǎng)度增加，輻射貼片表面的電流路徑變長(zhǎng)，天線諧振頻率降低，帶寬也隨之減小。當(dāng)縫隙1的長(zhǎng)度L1=10.5 mm時(shí)，回波損耗為－51 dB，諧振頻率在2.45 GHz，絕對(duì)帶寬為90 MHz，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，最終選用縫隙1的長(zhǎng)度L1為10.5 mm。

圖3 縫隙1的長(zhǎng)度變化對(duì)天線性能的影響

由于短路壁會(huì)對(duì)PIFA天線造成一定的影響，所以可以通過調(diào)整短路壁的位置改善PIFA天線的性能［11］。短路壁的位置將影響PIFA的有效帶寬fr，一般情況下短路壁的位置參數(shù)增大，天線的有效帶寬也會(huì)增大，但會(huì)帶來中心工作頻率的偏移［12］。圖4顯示的是短路壁位置(相對(duì)于饋電點(diǎn)一邊的邊緣)改變引起回波損耗的變化，可以看到隨著短路壁離饋電邊的距離增大，天線的諧振頻率也將會(huì)逐漸增大。當(dāng)短路壁距輻射片邊緣3 mm時(shí)，諧振頻率為2.45 GHz，－10 dB回波損耗處的絕對(duì)帶寬為90 MHz。

圖4 短路壁的位置變化對(duì)天線性能的影響

由于天線開了3個(gè)縫隙，通過仿真確定縫隙的位置后，饋電點(diǎn)的合理選取將直接關(guān)系到天線諧振點(diǎn)和帶寬等指標(biāo)。如圖5所示，雖然隨著饋電點(diǎn)與縫隙1的距離減小，天線的帶寬會(huì)增加，最大帶寬可以接近100 MHz，但是天線的諧振頻率隨之增大，產(chǎn)生頻率偏移的現(xiàn)象。隨著饋電點(diǎn)的移動(dòng)，饋電點(diǎn)到短路壁的距離、電流路徑方向也會(huì)相應(yīng)的改變。也就是說分布參數(shù)的變化引起輸入的阻抗變化，同時(shí)天線表面電流分布也變化，從而遠(yuǎn)場(chǎng)性能也改變了。當(dāng)縫隙1距饋電點(diǎn)2.5 mm時(shí)，天線性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 縫隙1距饋電點(diǎn)的距離變化對(duì)天線性能的影響

在優(yōu)化調(diào)整、選用最佳的參數(shù)之后，尺寸定為11 mm×9 mm×6 mm。得到最終的天線回波損耗(S11)，如圖6所示，天線的工作頻段在2.45 GHz時(shí)，回波損耗達(dá)到－50.64 dB，阻抗帶寬達(dá)到90 MHz，相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到3.7%。與之相比，同類型的藍(lán)牙天線在此頻段的帶寬小于80 MHz，相對(duì)阻抗帶寬小于3%。

圖6 天線的回波損耗

根據(jù)仿真的天線模型對(duì)天線進(jìn)行加工，如圖7所示。天線的輻射貼片、地板和短路壁均采用0.035 mm厚的黃銅片。采用50 Ω的SMA接頭同軸饋電，內(nèi)同軸直徑為1 mm。采用型號(hào)為TD3618C的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的回波損耗特性，測(cè)得曲線如圖8所示。從測(cè)量曲線中可以看出，掃頻范圍是2.0 ～3.0 GHz，諧振頻率在2.45 GHz附近，回波損耗－10 dB處帶寬性能良好，相比仿真結(jié)果(見圖6)，帶寬提高到了120 MHz。由于加工和測(cè)試中各種因素的影響，測(cè)試結(jié)果存在誤差。

圖7 天線實(shí)物

圖8 測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)誤差的主要原因有:1)制作過程中本模型需要多次曲折開槽，會(huì)帶來誤差。2)仿真軟件中的模型連接處通過合并操作完成，為理想連接。而實(shí)際加工制作過程中，需要用焊接材料進(jìn)行連接，由于材料本身的特性會(huì)導(dǎo)致誤差出現(xiàn)。3)仿真環(huán)境中，理想輻射邊界為空氣，在實(shí)際環(huán)境中，大氣為非理想不均勻氣體，也會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的誤差。

3 小結(jié)

在藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用中，天線是影響藍(lán)牙通信性能的關(guān)鍵器件，因此藍(lán)牙天線的開發(fā)和設(shè)計(jì)有十分重大的意義。本文利用曲流技術(shù)設(shè)計(jì)了一款工作頻率在2.45 GHz的小型藍(lán)牙天線，相對(duì)帶寬達(dá)到了3.7%，有效地縮小了天線的尺寸(11 mm×9 mm×6 mm)，適合在藍(lán)牙模塊中使用。通過仿真實(shí)驗(yàn)以及尺寸的優(yōu)化，對(duì)天線加工并進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果表明天線達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于天線應(yīng)用于藍(lán)牙模塊中，所以還要考慮天線加上外殼、靠近人體以及模塊內(nèi)其他元件對(duì)天線的影響，天線增益雖然滿足要求(2.3 dB)，但尺寸較小會(huì)造成天線方向圖產(chǎn)生細(xì)微的畸變，這些都需要在以后的工作中進(jìn)一步研究。

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