一種適用于藍牙的折疊PIFA天線的設計和分析

　　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。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d《H，傳輸線的特性阻抗Z0可以表示為：

　　由長線理論可知終端短路和終端開路傳輸線的輸入電抗分別為：

　　當忽略損耗時，天線的輸入電阻即等于其輻射電阻，由文獻給出的倒F型天線的輻射電阻可得天線電阻為：

　　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：

　　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。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。

　　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。

　　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。

　　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。