一種用于藍牙終端的小型天線設計

郝宏剛，胡文帥，田海燕

(重慶郵電大學a.光電工程學院;b.通信新技術應用研究所，重慶 400065)

藍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據傳輸的無線通信技術，目前已經在很多終端設備中得到了廣泛的應用。在藍牙模塊的所有器件中，天線對信號傳輸質量的影響至關重要。由于藍牙設備種類繁多，天線在結構和選材上存在差異，因此選用適當的結構設計可以起到提高數據傳輸的可靠性、降低制造成本、易于和其他部件共形等作用［1－2］。隨著無線通信技術的發展，個人移動設備趨于小型化和輕薄化，對藍牙天線也有了更高的要求。為了適應這一需求，藍牙天線的小型化設計已成為當前天線研究的重要課題。

由于倒F型天線具有極化特性、阻抗匹配特性相對較靈活、成本較低等特點，因此被廣泛使用在藍牙裝置中。尺寸相對較大已成為藍牙天線設計所面臨的問題［3］，例如文獻［4］、［5］、［6］、［7］中所設計的藍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，為了滿足產品設計需要，天線的尺寸需要進一步減小。平面倒F天線的小型化方法主要有曲流技術、提高介電常數、短路加載、電阻加載和附加集總原件等［8］。

基于上述倒F型天線的特點以及天線小型化的相關技術，本文主要采用曲流技術對平面倒F天線進行小型化改進設計，研究各種主要參數對天線性能造成的影響，并對天線進行加工和測試分析。

1 天線設計

PIFA天線由輻射貼片、短路貼片、饋電點、接地面和介質等組成，其結構類似于1/4波長的單極子天線。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，介質層為空氣，其相對介電常數為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度減小［9］。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度和寬度。由式(1)可以得出，矩形輻射貼片的長邊和寬邊之和近似等于λ/4。

在理論分析的基礎上，為了實現天線設計的小型化，文章采用曲流技術，在PIFA天線輻射貼片上開了3個縫隙，構成了一個縫隙陣列，如圖1所示。天線的建模模型如圖2所示。

結合藍牙技術需要，文中藍牙天線設計指標如下: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 仿真分析與測試

為了獲得更好的天線性能，需要對天線的各個參數進行優化。經過初步的仿真分析，發現主要影響天線性能的3個參數主要為縫隙1與饋電點中心的距離(t)、縫隙1的長度(L1)和短路壁的位置(k)。仿真優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。基于上述給定尺寸，在其他參數不變的情況下，分別討論3個參數之一發生變化時，對天線的帶寬、諧振頻率和回波損耗的影響。

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

圖3 縫隙1的長度變化對天線性能的影響

由于短路壁會對PIFA天線造成一定的影響，所以可以通過調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增大，天線的有效帶寬也會增大，但會帶來中心工作頻率的偏移［12］。圖4顯示的是短路壁位置(相對于饋電點一邊的邊緣)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逐漸增大。當短路壁距輻射片邊緣3 mm時，諧振頻率為2.45 GHz，－10 dB回波損耗處的絕對帶寬為90 MHz。

圖4 短路壁的位置變化對天線性能的影響

由于天線開了3個縫隙，通過仿真確定縫隙的位置后，饋電點的合理選取將直接關系到天線諧振點和帶寬等指標。如圖5所示，雖然隨著饋電點與縫隙1的距離減小，天線的帶寬會增加，最大帶寬可以接近100 MHz，但是天線的諧振頻率隨之增大，產生頻率偏移的現象。隨著饋電點的移動，饋電點到短路壁的距離、電流路徑方向也會相應的改變。也就是說分布參數的變化引起輸入的阻抗變化，同時天線表面電流分布也變化，從而遠場性能也改變了。當縫隙1距饋電點2.5 mm時，天線性能滿足設計要求。

圖5 縫隙1距饋電點的距離變化對天線性能的影響

在優化調整、選用最佳的參數之后，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，回波損耗達到－50.64 dB，阻抗帶寬達到90 MHz，相對阻抗帶寬達到3.7%。與之相比，同類型的藍牙天線在此頻段的帶寬小于80 MHz，相對阻抗帶寬小于3%。

圖6 天線的回波損耗

根據仿真的天線模型對天線進行加工，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，內同軸直徑為1 mm。采用型號為TD3618C的矢量網絡分析儀測量天線的回波損耗特性，測得曲線如圖8所示。從測量曲線中可以看出，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，相比仿真結果(見圖6)，帶寬提高到了120 MHz。由于加工和測試中各種因素的影響，測試結果存在誤差。

圖7 天線實物

圖8 測試結果

實測誤差的主要原因有: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。而實際加工制作過程中，需要用焊接材料進行連接，由于材料本身的特性會導致誤差出現。3)仿真環境中，理想輻射邊界為空氣，在實際環境中，大氣為非理想不均勻氣體，也會造成測試結果的誤差。

3 小結

在藍牙技術的應用中，天線是影響藍牙通信性能的關鍵器件，因此藍牙天線的開發和設計有十分重大的意義。本文利用曲流技術設計了一款工作頻率在2.45 GHz的小型藍牙天線，相對帶寬達到了3.7%，有效地縮小了天線的尺寸(11 mm×9 mm×6 mm)，適合在藍牙模塊中使用。通過仿真實驗以及尺寸的優化，對天線加工并進行測試分析，結果表明天線達到設計要求。由于天線應用于藍牙模塊中，所以還要考慮天線加上外殼、靠近人體以及模塊內其他元件對天線的影響，天線增益雖然滿足要求(2.3 dB)，但尺寸較小會造成天線方向圖產生細微的畸變，這些都需要在以后的工作中進一步研究。

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