一种适用于蓝牙的折叠PIFA天线的设计和分析

蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般是10 m之内)的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑等众多设备之间进行无线信息交换，工作频段是工业、科研、医疗(2.4～2.483 GHz)全球通信自由频段，目前已经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电磁波的重要器件，目前尚无法整合到半导体芯片中。在蓝牙产品中，蓝牙天线的尺寸和性能决定了整个蓝牙模块的尺寸和性能。随着移动通信的发展，个人移动设备趋于小型化和轻薄化，为了适应这一发展，蓝牙天线的尺寸有了严格的要求。单极子天线尺寸过大，不适应于移动通信设备中。传统的PIFA天线虽然将尺寸减小了一半，但相对快速小型化的移动通信产品而言还是尺寸过大。本文根据传统印制倒F型天线的工作原理，设计了一种折叠PIFA天线，尺寸只有16 mm×4.5 mm，设计简单、制造成本低、工作效率高，适用于蓝牙系统。

　　1 传统印制倒F型天线的分析

印制倒F型天线是上世纪末发展起来的一种天线，目前其理论分析都趋于成熟，其应用范围也日趋广泛。他具有结构简单、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，因此近几年印制倒F型天线得到了广泛的研究和发展。

印制倒F型天线的结构如图1所示，由长为L的终端开路传输线与长为S的终端短路传输线并联而成，当传输线导体线宽d《H，传输线的特性阻抗Z0可以表示为：

　　由长线理论可知终端短路和终端开路传输线的输入电抗分别为：

当忽略损耗时，天线的输入电阻即等于其辐射电阻，由文献给出的倒F型天线的辐射电阻可得天线电阻为：

当天线水平部分的长度L=λ／4时，由式可知，天线的输入电抗为0，天线处于谐振状态，即：

此时天线的输入电阻RPIFA为纯电阻，与间距S无关，只与天线高度H有关，并随天线高度H的增加而增加。

作为天线的谐振部分，天线水平部分长度L对天线输入阻抗的影响最为直接，当其增加时，天线的输入电阻减小，天线呈感性，反之亦然。通过调整L，可使天线的输入阻抗呈纯阻性，然后再调节天线高度H以使天线的输入电阻接近50 Ω，即不需任何额外的电路即可完成阻抗匹配。

　　2 改善的印制倒F型蓝牙天线

传统印制倒F型天线虽然性能很高，但是其体积与工作频率基本成正比，所以在日益小型化、超薄化的手机终端中还是显的尺寸过大。

本文以一款支持蓝牙功能的GSM手机为例，通过ANSOFT公司的HFSS 10.0进行仿真，设计一款体积小、性能好的蓝牙天线。手机主板尺寸为103 mm×41.5 mm，由于手机结构造型的要求，蓝牙芯片位于主板的右下方，从而限制了天线也只能位于手机的右下角。因为板子大小非常有限，留给蓝牙天线的尺寸只有16 mm×5 mm，所以很难采用传统PIFA天线。考虑到目前单极子天线普遍采用蜿蜒形式来减少其物理尺寸，所以可将这种形式应用于传统印制倒F型天线，如图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。手机主板采用FR-4的材料，相对介电常数为4.2，天线馈点采用50 Ω微带线。考虑到手机外壳对天线工作频率的影响，我们在仿真的时候将天线的工作频率提高，选择在2.5 GHz。

　　3 试验测试

按照上述软件仿真的结构及尺寸制作天线，如图5所示。为方便测量，将一特性阻抗为50 Ω的同轴电缆的内导体焊接在与天线馈电点相连的50 Ω微带线上，外导体就近接在手机主板的地上，在同轴电缆的另一端焊SMA接头并连到矢量网络分析仪MS4622B。测试结果如图6所示，回损10 dB带宽约为120 MHz，可完全覆盖蓝牙所工作的ISM频段：2.400～2.483 GHz。

为评估该天线在室内环境中的工作性能，本文做如下实验：分别采用经过验证的某厂家介质谐振天线和本文的PIFA天线通过蓝牙测试仪测试传输数据的误包率。实验表明，二者性能相当。而在实际应用当中，采用该PIFA天线的GSM手机与NOKIA蓝牙耳机HS-11W通话距离可以达到15 m以上，符合一般终端测试规范要求。

　　4 结语

通过上述分析及测试结果可知，改善后的PIFA天线性能符合厂家要求。同时该天线设计简洁、灵活，可先根据电路板实际尺寸大小选定L和H后，再确定S的大小。该方案成本低、效率高、结构紧凑、馈电方便，完全适于蓝牙应用环境。