新型藍牙PIFA天線設計

2017-03-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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的饋線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,再送回網絡分析儀。

網絡分析儀的原理框圖

由于待測設備的輸入阻抗與網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,然后利用網絡分析儀的Smith圖來測試天線參數,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值,最終使天線網絡的阻抗、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網絡分析儀N3382A。這樣,通過網絡分析儀測得的Smith圓圖可知,經過匹配網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絡的連接示意圖。