一种用于蓝牙终端的小型天线设计

郝宏刚，胡文帅，田海燕

(重庆邮电大学a.光电工程学院;b.通信新技术应用研究所，重庆 400065)

蓝牙工作在全球开放的ISM(2.4～2.484 GHz)频段，是一种用于近距离数据传输的无线通信技术，目前已经在很多终端设备中得到了广泛的应用。在蓝牙模块的所有器件中，天线对信号传输质量的影响至关重要。由于蓝牙设备种类繁多，天线在结构和选材上存在差异，因此选用适当的结构设计可以起到提高数据传输的可靠性、降低制造成本、易于和其他部件共形等作用［1－2］。随着无线通信技术的发展，个人移动设备趋于小型化和轻薄化，对蓝牙天线也有了更高的要求。为了适应这一需求，蓝牙天线的小型化设计已成为当前天线研究的重要课题。

由于倒F型天线具有极化特性、阻抗匹配特性相对较灵活、成本较低等特点，因此被广泛使用在蓝牙装置中。尺寸相对较大已成为蓝牙天线设计所面临的问题［3］，例如文献［4］、［5］、［6］、［7］中所设计的蓝牙天线的尺寸分别为16 mm ×8 mm ×7.5 mm，19.5 mm ×9.5 mm ×4 mm，33 mm ×6.6 mm ×0.8 mm，42 mm ×46 mm ×1 mm。因此，为了满足产品设计需要，天线的尺寸需要进一步减小。平面倒F天线的小型化方法主要有曲流技术、提高介电常数、短路加载、电阻加载和附加集总原件等［8］。

基于上述倒F型天线的特点以及天线小型化的相关技术，本文主要采用曲流技术对平面倒F天线进行小型化改进设计，研究各种主要参数对天线性能造成的影响，并对天线进行加工和测试分析。

1 天线设计

PIFA天线由辐射贴片、短路贴片、馈电点、接地面和介质等组成，其结构类似于1/4波长的单极子天线。辐射贴片通过短路贴片与接地面相连，使用阻抗为50 Ω的同轴馈电，介质层为空气，其相对介电常数为εr=1。将短路贴片置于辐射贴片与接地板之间，增加了天线的有效电感，从而使矩形辐射贴片的电长度减小［9］。PIFA天线的尺寸近似由式(1)确定［10］，即

式中:f为谐振频率，c为自由空间光速，L和W分别为辐射贴片的长度和宽度。由式(1)可以得出，矩形辐射贴片的长边和宽边之和近似等于λ/4。

在理论分析的基础上，为了实现天线设计的小型化，文章采用曲流技术，在PIFA天线辐射贴片上开了3个缝隙，构成了一个缝隙阵列，如图1所示。天线的建模模型如图2所示。

结合蓝牙技术需要，文中蓝牙天线设计指标如下:中心频率 f0=2.45 GHz，带宽 BW=90 MHz，回波损耗 S11＜－50 dB，驻波比 VSWR ＜ 2.0，尺寸为 11 mm × 9 mm ×6 mm，增益 G=2.3 dB。

2 仿真分析与测试

为了获得更好的天线性能，需要对天线的各个参数进行优化。经过初步的仿真分析，发现主要影响天线性能的3个参数主要为缝隙1与馈电点中心的距离(t)、缝隙1的长度(L1)和短路壁的位置(k)。仿真优化后确定天线的尺寸为:W=9 mm，L=11 mm，h=6 mm，W1=3 mm，W2=2 mm，W3=6.5 mm，L1=L2=L3=10.5 mm，缝隙1、缝隙2、缝隙3的宽度均为1 mm，接地板的尺寸为60 mm×40 mm，馈电方式采用同轴馈电。基于上述给定尺寸，在其他参数不变的情况下，分别讨论3个参数之一发生变化时，对天线的带宽、谐振频率和回波损耗的影响。

在仿真过程中发现，缝隙1的长度和位置对天线的阻抗特性有一定的影响。图3所示为缝隙1的长度变化对天线回波损耗的影响，从图3可知，缝隙1的长度为8.5 mm，9.5 mm，10.5 mm时，天线的谐振带宽基本一致。随着缝隙1的长度增加，辐射贴片表面的电流路径变长，天线谐振频率降低，带宽也随之减小。当缝隙1的长度L1=10.5 mm时，回波损耗为－51 dB，谐振频率在2.45 GHz，绝对带宽为90 MHz，满足设计要求。因此，最终选用缝隙1的长度L1为10.5 mm。

图3 缝隙1的长度变化对天线性能的影响

由于短路壁会对PIFA天线造成一定的影响，所以可以通过调整短路壁的位置改善PIFA天线的性能［11］。短路壁的位置将影响PIFA的有效带宽fr，一般情况下短路壁的位置参数增大，天线的有效带宽也会增大，但会带来中心工作频率的偏移［12］。图4显示的是短路壁位置(相对于馈电点一边的边缘)改变引起回波损耗的变化，可以看到随着短路壁离馈电边的距离增大，天线的谐振频率也将会逐渐增大。当短路壁距辐射片边缘3 mm时，谐振频率为2.45 GHz，－10 dB回波损耗处的绝对带宽为90 MHz。

图4 短路壁的位置变化对天线性能的影响

由于天线开了3个缝隙，通过仿真确定缝隙的位置后，馈电点的合理选取将直接关系到天线谐振点和带宽等指标。如图5所示，虽然随着馈电点与缝隙1的距离减小，天线的带宽会增加，最大带宽可以接近100 MHz，但是天线的谐振频率随之增大，产生频率偏移的现象。随着馈电点的移动，馈电点到短路壁的距离、电流路径方向也会相应的改变。也就是说分布参数的变化引起输入的阻抗变化，同时天线表面电流分布也变化，从而远场性能也改变了。当缝隙1距馈电点2.5 mm时，天线性能满足设计要求。

图5 缝隙1距馈电点的距离变化对天线性能的影响

在优化调整、选用最佳的参数之后，尺寸定为11 mm×9 mm×6 mm。得到最终的天线回波损耗(S11)，如图6所示，天线的工作频段在2.45 GHz时，回波损耗达到－50.64 dB，阻抗带宽达到90 MHz，相对阻抗带宽达到3.7%。与之相比，同类型的蓝牙天线在此频段的带宽小于80 MHz，相对阻抗带宽小于3%。

图6 天线的回波损耗

根据仿真的天线模型对天线进行加工，如图7所示。天线的辐射贴片、地板和短路壁均采用0.035 mm厚的黄铜片。采用50 Ω的SMA接头同轴馈电，内同轴直径为1 mm。采用型号为TD3618C的矢量网络分析仪测量天线的回波损耗特性，测得曲线如图8所示。从测量曲线中可以看出，扫频范围是2.0 ～3.0 GHz，谐振频率在2.45 GHz附近，回波损耗－10 dB处带宽性能良好，相比仿真结果(见图6)，带宽提高到了120 MHz。由于加工和测试中各种因素的影响，测试结果存在误差。

图7 天线实物

图8 测试结果

实测误差的主要原因有:1)制作过程中本模型需要多次曲折开槽，会带来误差。2)仿真软件中的模型连接处通过合并操作完成，为理想连接。而实际加工制作过程中，需要用焊接材料进行连接，由于材料本身的特性会导致误差出现。3)仿真环境中，理想辐射边界为空气，在实际环境中，大气为非理想不均匀气体，也会造成测试结果的误差。

3 小结

在蓝牙技术的应用中，天线是影响蓝牙通信性能的关键器件，因此蓝牙天线的开发和设计有十分重大的意义。本文利用曲流技术设计了一款工作频率在2.45 GHz的小型蓝牙天线，相对带宽达到了3.7%，有效地缩小了天线的尺寸(11 mm×9 mm×6 mm)，适合在蓝牙模块中使用。通过仿真实验以及尺寸的优化，对天线加工并进行测试分析，结果表明天线达到设计要求。由于天线应用于蓝牙模块中，所以还要考虑天线加上外壳、靠近人体以及模块内其他元件对天线的影响，天线增益虽然满足要求(2.3 dB)，但尺寸较小会造成天线方向图产生细微的畸变，这些都需要在以后的工作中进一步研究。

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