適用于藍(lán)牙折疊PIFA天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與分析

　　1 傳統(tǒng)印制倒F型天線(xiàn)的分析

　　印制倒F型天線(xiàn)是上世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種天線(xiàn)，目前其理論分析都趨于成熟，其應(yīng)用范圍也日趨廣泛。他具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實(shí)現(xiàn)多頻段工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此近幾年印制倒F型天線(xiàn)得到了廣泛的研究和發(fā)展。

　　印制倒F型天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由長(zhǎng)為L(zhǎng)的終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)與長(zhǎng)為S的終端短路傳輸線(xiàn)并聯(lián)而成，當(dāng)傳輸線(xiàn)導(dǎo)體線(xiàn)寬d《H，傳輸線(xiàn)的特性阻抗Z0可以表示為：

　　由長(zhǎng)線(xiàn)理論可知終端短路和終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)的輸入電抗分別為：

　　當(dāng)忽略損耗時(shí)，天線(xiàn)的輸入電阻即等于其輻射電阻，由文獻(xiàn)給出的倒F型天線(xiàn)的輻射電阻可得天線(xiàn)電阻為：

　　當(dāng)天線(xiàn)水平部分的長(zhǎng)度L=λ/4時(shí)，由式可知，天線(xiàn)的輸入電抗為0，天線(xiàn)處于諧振狀態(tài)，即：

　　此時(shí)天線(xiàn)的輸入電阻RPIFA為純電阻，與間距S無(wú)關(guān)，只與天線(xiàn)高度H有關(guān)，并隨天線(xiàn)高度H的增加而增加。

　　作為天線(xiàn)的諧振部分，天線(xiàn)水平部分長(zhǎng)度L對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響最為直接，當(dāng)其增加時(shí)，天線(xiàn)的輸入電阻減小，天線(xiàn)呈感性，反之亦然。通過(guò)調(diào)整L，可使天線(xiàn)的輸入阻抗呈純阻性，然后再調(diào)節(jié)天線(xiàn)高度H以使天線(xiàn)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(lán)牙天線(xiàn)

　　傳統(tǒng)印制倒F型天線(xiàn)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(jī)終端中還是顯的尺寸過(guò)大。

　　本文以一款支持藍(lán)牙功能的GSM手機(jī)為例，通過(guò)ANSOFT公司的HFSS 10.0進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)一款體積小、性能好的藍(lán)牙天線(xiàn)。手機(jī)主板尺寸為103 mm×41.5 mm，由于手機(jī)結(jié)構(gòu)造型的要求，藍(lán)牙芯片位于主板的右下方，從而限制了天線(xiàn)也只能位于手機(jī)的右下角。因?yàn)榘遄哟笮》浅Ｓ邢?，留給藍(lán)牙天線(xiàn)的尺寸只有16 mm×5 mm，所以很難采用傳統(tǒng)PIFA天線(xiàn)。考慮到目前單極子天線(xiàn)普遍采用蜿蜒形式來(lái)減少其物理尺寸，所以可將這種形式應(yīng)用于傳統(tǒng)印制倒F型天線(xiàn)，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(jī)主板采用FR-4的材料，相對(duì)介電常數(shù)為4.2，天線(xiàn)饋點(diǎn)采用50 Ω微帶線(xiàn)?？紤]到手機(jī)外殼對(duì)天線(xiàn)工作頻率的影響，我們?cè)诜抡娴臅r(shí)候?qū)⑻炀€(xiàn)的工作頻率提高，選擇在2.5 GHz。

　3 試驗(yàn)測(cè)試

　　按照上述軟件仿真的結(jié)構(gòu)及尺寸制作天線(xiàn)，如圖5所示。為方便測(cè)量，將一特性阻抗為50 Ω的同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體焊接在與天線(xiàn)饋電點(diǎn)相連的50 Ω微帶線(xiàn)上，外導(dǎo)體就近接在手機(jī)主板的地上，在同軸電纜的另一端焊SMA接頭并連到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4622B。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，回?fù)p10 dB帶寬約為120 MHz，可完全覆蓋藍(lán)牙所工作的ISM頻段：2.400～2.483 GHz。

　　為評(píng)估該天線(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中的工作性能，本文做如下實(shí)驗(yàn)：分別采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的某廠家介質(zhì)諧振天線(xiàn)和本文的PIFA天線(xiàn)通過(guò)藍(lán)牙測(cè)試儀測(cè)試傳輸數(shù)據(jù)的誤包率。實(shí)驗(yàn)表明，二者性能相當(dāng)。而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，采用該P(yáng)IFA天線(xiàn)的GSM手機(jī)與NOKIA藍(lán)牙耳機(jī)HS-11W通話(huà)距離可以達(dá)到15 m以上，符合一般終端測(cè)試規(guī)范要求。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)上述分析及測(cè)試結(jié)果可知，改善后的PIFA天線(xiàn)性能符合廠家要求。同時(shí)該天線(xiàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、靈活，可先根據(jù)電路板實(shí)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(jié)構(gòu)緊湊、饋電方便，完全適于藍(lán)牙應(yīng)用環(huán)境。