一種適用于藍(lán)牙的折疊ＰＩＦＡ天線(xiàn)的設(shè)計(jì)和分析

摘 要：介紹了傳統(tǒng)印制倒F型天線(xiàn)的工作原理和結(jié)構(gòu)特性，詳細(xì)分析了影響天線(xiàn)阻抗的因素。以一款支持藍(lán)牙功能的GSM手機(jī)為例，通過(guò)ANSOFT公司的軟件HFSS 10.0進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)了一款體積小、性能好的藍(lán)牙天線(xiàn)。該天線(xiàn)工作于2.4～2.483 GHz頻段、尺寸只有16 mm×4.5 mm，10 dB阻抗帶寬為5%。改善后的PIFA天線(xiàn)成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、饋電方便，同時(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、靈活，完全適于藍(lán)牙系統(tǒng)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PIFA；天線(xiàn)；折疊；藍(lán)牙

中圖分類(lèi)號(hào)：TN8286 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-016-02

Design and Analysis of a Folded Printed Inverted-F Antenna for Bluetooth

CHEN Lei1，ZHANG Yanling1，WEI Feng2

(1.Xi′an Technological University，Xi′an，710032，China;2.Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract：The basic operating principle and structural characteristics of traditional PIFA antenna are discussed in this paper.The factors influencing antenna impedance are analyzed in detail.An antenna prototype with a small area of 16×4.5 mm2 on a GSM phone board has been constructed and analyzed with the software HFSS 10.0 of ANSOFT corporation.The operating frequency is 2.4～2.483 GHz and -10 dB impedance bandwidth is approximately 5% centered at 2.45 GHz.This proposed antenna with low cost，compact structure，easy feeding and convenient design can be applied in Bluetooth system well.

Keywords：PIFA;antenna;folded;bluetooth

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般是10 m之內(nèi))的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，能在包括移動(dòng)電話(huà)、PDA、無(wú)線(xiàn)耳機(jī)、筆記本電腦等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信息交換，工作頻段是工業(yè)、科研、醫(yī)療(2.4～2.483 GHz) 全球通信自由頻段，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信設(shè)備中。天線(xiàn)是藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中用來(lái)傳送電磁波的重要器件，目前尚無(wú)法整合到半導(dǎo)體芯片中。在藍(lán)牙產(chǎn)品中，藍(lán)牙天線(xiàn)的尺寸和性能決定了整個(gè)藍(lán)牙模塊的尺寸和性能。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，個(gè)人移動(dòng)設(shè)備趨于小型化和輕薄化，為了適應(yīng)這一發(fā)展，藍(lán)牙天線(xiàn)的尺寸有了嚴(yán)格的要求。單極子天線(xiàn)尺寸過(guò)大，不適應(yīng)于移動(dòng)通信設(shè)備中。傳統(tǒng)的PIFA天線(xiàn)雖然將尺寸減小了一半，但相對(duì)快速小型化的移動(dòng)通信產(chǎn)品而言還是尺寸過(guò)大^[1-5]。本文根據(jù)傳統(tǒng)印制倒F型天線(xiàn)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種折疊PIFA天線(xiàn)，尺寸只有16 mm×4.5 mm，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造成本低、工作效率高，適用于藍(lán)牙系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)印制倒F型天線(xiàn)的分析

印制倒F型天線(xiàn)是上世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種天線(xiàn)，目前其理論分析都趨于成熟，其應(yīng)用范圍也日趨廣泛。他具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實(shí)現(xiàn)多頻段工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此近幾年印制倒F型天線(xiàn)得到了廣泛的研究和發(fā)展。

印制倒F型天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由長(zhǎng)為L的終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)與長(zhǎng)為S的終端短路傳輸線(xiàn)并聯(lián)而成，當(dāng)傳輸線(xiàn)導(dǎo)體線(xiàn)寬dH，傳輸線(xiàn)的特性阻抗Z0可以表示為^[6]：

當(dāng)天線(xiàn)水平部分的長(zhǎng)度L=λ/4時(shí)，由式可知，天線(xiàn)的輸入電抗為0，天線(xiàn)處于諧振狀態(tài)，即：



RPIFA=R0=30(KH)2



此時(shí)天線(xiàn)的輸入電阻RPIFA為純電阻，與間距S無(wú)關(guān)，只與天線(xiàn)高度H有關(guān)，并隨天線(xiàn)高度H的增加而增加。

作為天線(xiàn)的諧振部分，天線(xiàn)水平部分長(zhǎng)度L對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響最為直接，當(dāng)其增加時(shí)，天線(xiàn)的輸入電阻減小，天線(xiàn)呈感性，反之亦然。通過(guò)調(diào)整L，可使天線(xiàn)的輸入阻抗呈純阻性，然后再調(diào)節(jié)天線(xiàn)高度H以使天線(xiàn)的輸入電阻接近50 Ω，即不需任何額外的電路即可完成阻抗匹配。

2 改善的印制倒F型藍(lán)牙天線(xiàn)

傳統(tǒng)印制倒F型天線(xiàn)雖然性能很高，但是其體積與工作頻率基本成正比，所以在日益小型化、超薄化的手機(jī)終端中還是顯的尺寸過(guò)大。

本文以一款支持藍(lán)牙功能的GSM手機(jī)為例，通過(guò)ANSOFT公司的HFSS 10.0進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)一款體積小、性能好的藍(lán)牙天線(xiàn)^[7]。手機(jī)主板尺寸為103 mm×41.5 mm，由于手機(jī)結(jié)構(gòu)造型的要求，藍(lán)牙芯片位于主板的右下方，從而限制了天線(xiàn)也只能位于手機(jī)的右下角。因?yàn)榘遄哟笮》浅Ｓ邢蓿艚o藍(lán)牙天線(xiàn)的尺寸只有16 mm×5 mm，所以很難采用傳統(tǒng)PIFA天線(xiàn)。考慮到目前單極子天線(xiàn)普遍采用蜿蜒形式來(lái)減少其物理尺寸，所以可將這種形式應(yīng)用于傳統(tǒng)印制倒F型天線(xiàn)，如圖2所示。[JP]

圖2 PIFA藍(lán)牙天線(xiàn)示意圖

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。手機(jī)主板采用FR-4的材料，相對(duì)介電常數(shù)為4.2，天線(xiàn)饋點(diǎn)采用50 Ω微帶線(xiàn)。考慮到手機(jī)外殼對(duì)天線(xiàn)工作頻率的影響，我們?cè)诜抡娴臅r(shí)候?qū)⑻炀€(xiàn)的工作頻率提高，選擇在2.5 GHz。



圖3 PIFA天線(xiàn)回?fù)p仿真結(jié)果

圖4 PIFA天線(xiàn)在2.5 GHz仿真遠(yuǎn)場(chǎng)增益圖

圖5 實(shí)際PIFA天線(xiàn)示意圖

3 試驗(yàn)測(cè)試

按照上述軟件仿真的結(jié)構(gòu)及尺寸制作天線(xiàn)，如圖5所示。為方便測(cè)量，將一特性阻抗為50 Ω的同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體焊接在與天線(xiàn)饋電點(diǎn)相連的50 Ω微帶線(xiàn)上，外導(dǎo)體就近接在手機(jī)主板的地上，在同軸電纜的另一端焊SMA接頭并連到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4622B。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，回?fù)p10 dB帶寬約為120 MHz，可完全覆蓋藍(lán)牙所工作的ISM 頻段：2.400～2.483 GHz。

圖6 實(shí)際PIFA天線(xiàn)示意圖

為評(píng)估該天線(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中的工作性能，本文做如下實(shí)驗(yàn):分別采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的某廠家介質(zhì)諧振天線(xiàn)和本文的PIFA天線(xiàn)通過(guò)藍(lán)牙測(cè)試儀測(cè)試傳輸數(shù)據(jù)的誤包率。實(shí)驗(yàn)表明，二者性能相當(dāng)。而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，采用該P(yáng)IFA天線(xiàn)的GSM手機(jī)與NOKIA藍(lán)牙耳機(jī)HS-11W通話(huà)距離可以達(dá)到15 m以上，符合一般終端測(cè)試規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析及測(cè)試結(jié)果可知，改善后的PIFA天線(xiàn)性能符合廠家要求。同時(shí)該天線(xiàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、靈活，可先根據(jù)電路板實(shí)際尺寸大小選定L和H后，再確定S的大小。該方案成本低、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、饋電方便，完全適于藍(lán)牙應(yīng)用環(huán)境。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］劉彤，樊宏，沈連豐.無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)印制倒F型天線(xiàn)的分析與設(shè)計(jì)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，36(2):67-69.

［2］Rowell C R，Murch R D.A Compact PIFA Suitable for Dual[LL] Frequency 900/1800 MHz Operation ［J］.IEEE Trans.Antennas Propag.，1998，46:596-598.

［3］Kuo Yenliang，Wong Kinlu .Coplanar Waveguide-fed Folded Inverted-F Antenna for UMTS Application ［J］.Microwave Opt.Technol.Lett.，2002，32(5).

［4］Ali M，Hayes G J.Analysis of Integrated Inverted-F Antennas for Bluetooth Applications［C］.2000 IEEE-APS Conference on Antennas Propagation for Wireless Communications，2000:21-24.

［5］Wong Kinlu.Planar Antenna for Wireless Communications ［M］.John Wiley New York，2003.

［6］陳浩，游佰強(qiáng).藍(lán)牙微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)和仿真［J］.廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，44(B06):307-311.

［7］Wei F，Chen L，Shi X W，et al.Design and Analysis of a Folded Printed Inverted-F Antenna for Bluetooth Applications［J］.IEEE 2007 International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation，and EMC Technologies for Wireless Communications，2007:628-631.

作者簡(jiǎn)介

陳 蕾 女，1980年出生，陜西人，助教。主要從事移動(dòng)通信系統(tǒng)研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。