藍(lán)牙倒F型天線的設(shè)計(jì)與測(cè)量

0 引言
    藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般是1Om之內(nèi))的無線電技術(shù)，能在設(shè)備之間進(jìn)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(yīng)用在移動(dòng)通信設(shè)備中。天線是藍(lán)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(shù)尚無法將天線整合至半導(dǎo)體芯片中，故在藍(lán)牙模塊里除了核心的系統(tǒng)芯片外，天線是另一個(gè)影響藍(lán)牙模塊傳輸特性的關(guān)鍵性組件。本文給出了一款倒F型天線的設(shè)計(jì)，該天線尺寸小，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約，制造成本低，工作效率高，適用于藍(lán)牙系統(tǒng)應(yīng)用。

1 天線設(shè)計(jì)
    倒F型天線是上世紀(jì)末發(fā)展起來的一種天線，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，近幾年來，倒F型天線得到了廣泛的應(yīng)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(gè)倒L結(jié)構(gòu)edb構(gòu)成。它使用附加的edb結(jié)構(gòu)來調(diào)整天線和饋電同軸線的匹配。該天線具有低輪廓結(jié)構(gòu)，輻射場(chǎng)具有水平和垂直兩種極化，另外由于結(jié)構(gòu)緊湊而且具有等方向輻射特性，同時(shí)其良好的接地設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中包含了接地的金屬面，可以降低對(duì)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(dǎo)體配合適當(dāng)?shù)酿伨€來調(diào)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。

2 測(cè)量基本原理
    圖3所示是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理框圖。在對(duì)倒F天線進(jìn)行測(cè)量時(shí)，先由儀器發(fā)出掃頻信號(hào)，并將該信號(hào)通過輸出口送到被測(cè)設(shè)備，當(dāng)信號(hào)通過設(shè)備后，再送回網(wǎng)絡(luò)分析儀。

  由于待測(cè)設(shè)備的輸入阻抗與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出阻抗不可能理想匹配，因而必然會(huì)發(fā)射一部分信號(hào)。這樣，網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)輸出與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，即可得出待測(cè)設(shè)備的傳輸指標(biāo)，如增益、插入損失、分配損失等；而對(duì)輸出和反射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，則可得出待測(cè)設(shè)備的反射指標(biāo)(如反射損耗等)。

    在對(duì)倒F天線進(jìn)行測(cè)試時(shí)，應(yīng)先將高頻導(dǎo)線焊接到PCB上的天線測(cè)試點(diǎn)，然后再連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀，并進(jìn)行重新校準(zhǔn)(3個(gè)mark點(diǎn)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(luò)分析儀的Smith圖來測(cè)試天線參數(shù)，并運(yùn)用Smith圓圖進(jìn)行軟件計(jì)算，以修改天線長(zhǎng)度及匹配元件參數(shù)值，最終使天線網(wǎng)絡(luò)的阻抗、頻率、帶寬、駐波比，達(dá)到最優(yōu)化。
    為了方便測(cè)量，可將一特性阻抗為50 Ω的同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體焊接在與天線饋電點(diǎn)相連的50 Ω微帶線上，而將外導(dǎo)體就近接在藍(lán)牙模塊的地上，同時(shí)在同軸電纜的另一端焊SMA接頭并連到Agilent網(wǎng)絡(luò)分析儀N3382A。這樣，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的Smith圓圖可知，經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)后的天線阻抗非常接近50 Ω。回?fù)p10 dB時(shí)的帶寬約為90 MHz，可完全覆蓋藍(lán)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(lán)牙無線電技術(shù)的要求。圖4所示是倒F型藍(lán)牙天線的測(cè)試結(jié)果圖。圖5給出了其天線匹配網(wǎng)絡(luò)的連接示意圖。

3 結(jié)束語
    采用本文方法設(shè)計(jì)的藍(lán)牙倒F型天線結(jié)構(gòu)緊湊、高效，便于生產(chǎn)，價(jià)格低廉，在藍(lán)牙協(xié)議規(guī)定的2．402~2．480GH工作頻段內(nèi)，完全可以滿足藍(lán)牙天線的帶寬要求。同時(shí)，該天線設(shè)計(jì)靈活，加工容易，并可和射頻芯片組成獨(dú)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。