一種適用于藍牙的折疊ＰＩＦＡ天線的設計和分析
2008-04-12 00:00:00陳蕾張艷玲魏峰
現代電子技術 2008年9期
摘 要：介紹了傳統印制倒F型天線的工作原理和結構特性，詳細分析了影響天線阻抗的因素。以一款支持藍牙功能的GSM手機為例，通過ANSOFT公司的軟件HFSS 10.0進行仿真，設計了一款體積小、性能好的藍牙天線。該天線工作于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天線成本低、結構緊湊、饋電方便，同時設計簡潔、靈活，完全適于藍牙系統應用。
關鍵詞：PIFA；天線；折疊；藍牙
中圖分類號：TN8286 文獻標識碼：B
文章編號：1004-373X(2008)09-016-02
Design and Analysis of a Folded Printed Inverted-F Antenna for Bluetooth
CHEN Lei1，ZHANG Yanling1，WEI Feng2
(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 mm2 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
藍牙是一種支持設備短距離通信(一般是10 m之內)的無線電技術，能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦等眾多設備之間進行無線信息交換，工作頻段是工業、科研、醫療(2.4～2.483 GHz) 全球通信自由頻段，目前已經廣泛應用在移動通信設備中。天線是藍牙無線系統中用來傳送電磁波的重要器件，目前尚無法整合到半導體芯片中。在藍牙產品中，藍牙天線的尺寸和性能決定了整個藍牙模塊的尺寸和性能。隨著移動通信的發展，個人移動設備趨于小型化和輕薄化，為了適應這一發展，藍牙天線的尺寸有了嚴格的要求。單極子天線尺寸過大，不適應于移動通信設備中。傳統的PIFA天線雖然將尺寸減小了一半，但相對快速小型化的移動通信產品而言還是尺寸過大[1-5]。本文根據傳統印制倒F型天線的工作原理，設計了一種折疊PIFA天線，尺寸只有16 mm×4.5 mm，設計簡單、制造成本低、工作效率高，適用于藍牙系統。
1 傳統印制倒F型天線的分析
印制倒F型天線是上世紀末發展起來的一種天線，目前其理論分析都趨于成熟，其應用范圍也日趨廣泛。他具有結構簡單、重量輕、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實現多頻段工作等獨特優點，因此近幾年印制倒F型天線得到了廣泛的研究和發展。
印制倒F型天線的結構如圖1所示，由長為L的終端開路傳輸線與長為S的終端短路傳輸線并聯而成，當傳輸線導體線寬dH，傳輸線的特性阻抗Z0可以表示為[6]：
當天線水平部分的長度L=λ/4時，由式可知，天線的輸入電抗為0，天線處于諧振狀態，即：
RPIFA=R0=30(KH)2
此時天線的輸入電阻RPIFA為純電阻，與間距S無關，只與天線高度H有關，并隨天線高度H的增加而增加。
作為天線的諧振部分，天線水平部分長度L對天線輸入阻抗的影響最為直接，當其增加時，天線的輸入電阻減小，天線呈感性，反之亦然。通過調整L，可使天線的輸入阻抗呈純阻性，然后再調節天線高度H以使天線的輸入電阻接近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型藍牙天線
傳統印制倒F型天線雖然性能很高，但是其體積與工作頻率基本成正比，所以在日益小型化、超薄化的手機終端中還是顯的尺寸過大。
本文以一款支持藍牙功能的GSM手機為例，通過ANSOFT公司的HFSS 10.0進行仿真，設計一款體積小、性能好的藍牙天線[7]。手機主板尺寸為103 mm×41.5 mm，由于手機結構造型的要求，藍牙芯片位于主板的右下方，從而限制了天線也只能位于手機的右下角。因為板子大小非常有限，留給藍牙天線的尺寸只有16 mm×5 mm，所以很難采用傳統PIFA天線。考慮到目前單極子天線普遍采用蜿蜒形式來減少其物理尺寸，所以可將這種形式應用于傳統印制倒F型天線，如圖2所示。[JP]
圖2 PIFA藍牙天線示意圖
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。手機主板采用FR-4的材料，相對介電常數為4.2，天線饋點采用50 Ω微帶線。考慮到手機外殼對天線工作頻率的影響，我們在仿真的時候將天線的工作頻率提高，選擇在2.5 GHz。
圖3 PIFA天線回損仿真結果
圖4 PIFA天線在2.5 GHz仿真遠場增益圖
圖5 實際PIFA天線示意圖
3 試驗測試
按照上述軟件仿真的結構及尺寸制作天線，如圖5所示。為方便測量，將一特性阻抗為50 Ω的同軸電纜的內導體焊接在與天線饋電點相連的50 Ω微帶線上，外導體就近接在手機主板的地上，在同軸電纜的另一端焊SMA接頭并連到矢量網絡分析儀MS4622B。測試結果如圖6所示，回損10 dB帶寬約為120 MHz，可完全覆蓋藍牙所工作的ISM 頻段：2.400～2.483 GHz。
圖6 實際PIFA天線示意圖
為評估該天線在室內環境中的工作性能，本文做如下實驗:分別采用經過驗證的某廠家介質諧振天線和本文的PIFA天線通過藍牙測試儀測試傳輸數據的誤包率。實驗表明，二者性能相當。而在實際應用當中，采用該PIFA天線的GSM手機與NOKIA藍牙耳機HS-11W通話距離可以達到15 m以上，符合一般終端測試規范要求。
4 結 語
通過上述分析及測試結果可知，改善后的PIFA天線性能符合廠家要求。同時該天線設計簡潔、靈活，可先根據電路板實際尺寸大小選定L和H后，再確定S的大小。該方案成本低、效率高、結構緊湊、饋電方便，完全適于藍牙應用環境。
參 考 文 獻
［1］劉彤，樊宏，沈連豐.無線家庭網絡印制倒F型天線的分析與設計［J］.東南大學學報:自然科學版，2006，36(2):67-69.
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［6］陳浩，游佰強.藍牙微帶天線的設計和仿真［J］.廈門大學學報:自然科學版，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.
作者簡介
陳 蕾 女，1980年出生，陜西人，助教。主要從事移動通信系統研究。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
