新型藍牙PIFA天線設計

2017-03-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

0 引言
藍牙是一種支持設備短距離通信(一般是1Om之內)的無線電技術,能在設備之間進行無線信息交換,其工作頻段是2.4~2.483 GHz的全球通信自由頻段,目前已廣泛應用在移動通信設備中。天線是藍牙無線系統(tǒng)中用來傳送與接收電磁波能量的重要必備組件。由于目前技術尚無法將天線整合至半導體芯片中,故在藍牙模塊里除了核心的系統(tǒng)芯片外,天線是另一個影響藍牙模塊傳輸特性的關鍵性組件。本文給出了一款倒F型天線的設計,該天線尺寸小,設計簡約,制造成本低,工作效率高,適用于藍牙系統(tǒng)應用。

1 天線設計
倒F型天線是上世紀末發(fā)展起來的一種天線,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(xiàn)多頻段工作等獨特優(yōu)點,因此,近幾年來,倒F型天線得到了廣泛的應用研究和發(fā)展。

倒F天線是在倒L天線abc的垂直元末端加上一個倒L結構edb構成。它使用附加的edb結構來調整天線和饋電同軸線的匹配。該天線具有低輪廓結構,輻射場具有水平和垂直兩種極化,另外由于結構緊湊而且具有等方向輻射特性,同時其良好的接地設計可以有效提高天線的工作效率。圖1所示是典型的倒F型天線結構圖,該天線可以看作是e端短路,a端開路的諧振器,所以,a端電壓最大,電流為零,e端電壓為零,電流最大。由于倒F天線的結構中包含了接地的金屬面,可以降低對射頻模塊中接地金屬面的敏感度,因此非常適合用于片上系統(tǒng)。另外,由于倒F天線只需利用金屬導體配合適當?shù)酿伨€來調整天線短路端到接地面的位置,因而制作成本較低,可以直接與PCB電路板焊接在一起。圖2所示為倒F型天線在電路板上的布置圖。

倒F型天線在電路板上的布置圖

2 測量基本原理
圖3所示是一個網(wǎng)絡分析儀的原理框圖。在對倒F天線進行測量時,先由儀器發(fā)出掃頻信號,并將該信號通過輸出口送到被測設備,當信號通過設備后,再送回網(wǎng)絡分析儀。

網(wǎng)絡分析儀的原理框圖

由于待測設備的輸入阻抗與網(wǎng)絡分析儀的輸出阻抗不可能理想匹配,因而必然會發(fā)射一部分信號。這樣,網(wǎng)絡分析儀對輸出與輸入信號進行比較,即可得出待測設備的傳輸指標,如增益、插入損失、分配損失等;而對輸出和反射信號進行對比,則可得出待測設備的反射指標(如反射損耗等)。

在對倒F天線進行測試時,應先將高頻導線焊接到PCB上的天線測試點,然后再連接到網(wǎng)絡分析儀,并進行重新校準(3個mark點頻率分別為2.402 GHz,2.440 GHz與2.480 GHz),之后再焊接天線匹配元器件,然后利用網(wǎng)絡分析儀的Smith圖來測試天線參數(shù),并運用Smith圓圖進行軟件計算,以修改天線長度及匹配元件參數(shù)值,最終使天線網(wǎng)絡的阻抗、頻率、帶寬、駐波比,達到最優(yōu)化。

為了方便測量,可將一特性阻抗為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,而將外導體就近接在藍牙模塊的地上,同時在同軸電纜的另一端焊SMA接頭并連到Agilent網(wǎng)絡分析儀N3382A。這樣,通過網(wǎng)絡分析儀測得的Smith圓圖可知,經(jīng)過匹配網(wǎng)絡后的天線阻抗非常接近50 Ω?；負p10 dB時的帶寬約為90 MHz,可完全覆蓋藍牙所工作的ISM頻段(2.400~2.483 GHz),且其駐波比小于2,可以滿足藍牙無線電技術的要求。圖4所示是倒F型藍牙天線的測試結果圖。圖5給出了其天線匹配網(wǎng)絡的連接示意圖。

3 結束語

采用本文方法設計的藍牙倒F型天線結構緊湊、高效,便于生產,價格低廉,在藍牙協(xié)議規(guī)定的2.402~2.480GH工作頻段內,完全可以滿足藍牙天線的帶寬要求。同時,該天線設計靈活,加工容易,并可和射頻芯片組成獨立的射頻收發(fā)裝置,非常適合于短距離的無線通信系統(tǒng)使用。

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