蓝牙倒F型天线的设计与测量

蓝牙倒F型天线的设计与测量蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般是10m之内）的无线电技术，能在设备之间进行无线信息交换，其 工作频段是2. 42. 483 GHz的全球通信自由频段，目前已广泛应用在移动通信设备中。天线是蓝牙 无线系统中用来传送与接收电磁波能量的重要必备组件。由于目前技术尚无法将天线整合至半导体芯片中， 故在蓝牙模块里除了核心的系统芯片外，天线是另一个影响蓝牙模块传输特性的关键性组件。本文给出了 一款倒F型天线的设计，该天线尺寸小，设计简约，制造成本低，工作效率高，适用于蓝牙系统应用。1 天线设计倒 F 型天线是上世纪末发展起来的一种天线，具有结构简单、重量轻、可共形、制造成本低、辐射效 率高、容易实现多频段工作等独特优点，因此，近几年来，倒 F 型天线得到了广泛的应用研究和发展。倒F天线是在倒L天线abc的垂直元末端加上一个倒L结构edb构成。它使用附加的edb结构来调 整天线和馈电同轴线的匹配。该天线具有低轮廓结构，辐射场具有水平和垂直两种极化，另外由于结构紧 凑而且具有等方向辐射特性，同时其良好的接地设计可以有效提高天线的工作效率。图 1 所示是典型的倒 F型天线结构图，该天线可以看作是e端短路，a端开路的谐振器，所以，a端电压最大，电流为零，e端 电压为零，电流最大。由于倒F天线的结构中包含了接地的金属面，可以降低对射频模块中接地金属面的 敏感度，因此非常适合用于片上系统。另外，由于倒F天线只需利用金属导体配合适当的馈线来调整天线 短路端到接地面的位置，因而制作成本较低，可以直接与PCB电路板焊接在一起。图2所示为倒F型天 线在电路板上的布置图。L2LIGroundcGround圏1 传统倒F型无践E2倒F型无线PCR图2 测量基本原理图 3 所示是一个网络分析仪的原理框图。在对倒 F 天线进行测量时，先由仪器发出扫频信号，并将该 信号通过输出口送到被测设备，当信号通过设备后，再送回网络分析仪。由于待测设备的输入阻抗与网络分析仪的输出阻抗不可能理想匹配，因而必然会发射一部分信号。这 样，网络分析仪对输出与输入信号进行比较，即可得出待测设备的传输指标，如增益、插入损失、分配损 失等；而对输出和反射信号进行对比，则可得出待测设备的反射指标（如反射损耗等）。在对倒F天线进行测试时，应先将高频导线焊接到PCB上的天线测试点，然后再连接到网络分析仪， 并进行重新校准（3个mark点频率分别为2. 402 GHz, 2. 440 GHz与2. 480 GHz），之后再焊接天 线匹配元器件，然后利用网络分析仪的Smith图来测试天线参数，并运用Smith圆图进行软件计算，以 修改天线长度及匹配元件参数值，最终使天线网络的阻抗、频率、带宽、驻波比，达到最优化。何Pn冊圜图c驻渡比曲缆FP11/ AXT1ANTENXAK35 or1 .1oa丄 D彌T图5 夭线匹配園络连接图(li)同波檢耗曲筑34 例F 乂践的测试结黑用为了方便测量，可将一特性阻抗为50 Q的同轴电缆的内导体焊接在与天线馈电点相连的50 Q微带 线上，而将外导体就近接在蓝牙模块的地上，同时在同轴电缆的另一端焊SMA接头并连到Agilent网络 分析仪N3382A。这样，通过网络分析仪测得的Smith圆图可知，经过匹配网络后的天线阻抗非常接近 50 Qo回损10 dB时的带宽约为90 MHz,可完全覆盖蓝牙所工作的ISM频段(2. 4002. 483 GHz)， 且其驻波比小于2,可以满足蓝牙无线电技术的要求。图4所示是倒F型蓝牙天线的测试结果图。图5给 出了其天线匹配网络的连接示意图。3 结束语采用本文方法设计的蓝牙倒F型天线结构紧凑、高效，便于生产，价格低廉，在蓝牙协议规定的2. 4022. 480GH 工作频段内，完全可以满足蓝牙天线的带宽要求。同时，该天线设计灵活，加工容易，并可和射频芯片组成独立的射频收发装置，非常适合于短距离的无线通信系统使用。