基于藍牙技術的倒F型天線的設計
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。
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。
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。回損10 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(chǎn)，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。
下載文檔
