一种小型化蓝牙印刷天线的设计

中心议题
    * 提出了一种小型化蓝牙印刷天线
    * 给出了具体设计及实现
解决方案
    * 降低电磁波在介质中传播的波长
    * 将偶极天线的两个振子固定在介质基板上

随着通信技术的发展,短距离无线通信以其快速、便捷的优势,成为了室内通信中不可替代的通信手段。蓝牙(Bluetooth)是一种能够支持短距离无线通信的无线电技术,现已广泛应用于移动电话、便携式电脑等设备中,普遍接受它的工作频段为2. 4 GHz—2. 484 GHz。天线作为通信系统中重要的能量转换部件,承担着信号的发射、接收任务,而其工作频段又与其物理尺寸直接相关,大尺寸的天线往往占据了一个系统的主要空间,影响系统小型化。目前的蓝牙天线,尺寸都比较大，开展蓝牙天线的小型化研究,降低蓝牙系统的整体尺寸,是十分必要的。

常见的蓝牙天线主要分为偶极天线、PIFA天线和陶瓷天线三种。PIFA天线属于单极子天线,它的反射损耗对地板大小比较敏感,同时,其远场辐射不均匀,难以满足手机、蓝牙耳机等终端设备对天线的全向辐射要求;陶瓷天线普遍增益较小;偶极天线易于实现较大的增益和较小的反射损耗,但其电长度一般都是波长的1/2。按此计算工作在2. 45 GHz的蓝牙天线需有约60mm长,而普通手机的大小一般是110 mm×40 mm,蓝牙USB设备的大小一般是50 mm×16 mm甚至更小,蓝牙耳机的尺寸一般是33 mm×10 mm。如此长的天线尺寸显然占据了手机、蓝牙耳机等终端设备巨大的设计空间,不利于系统的小型化。

本文设计的蓝牙天线,是基于印刷偶极天线的模式,天线印刷在FR—4介质板上,采用曲流技术,具有尺寸小、全向辐射等优点。

1　蓝牙天线的设计

曲流技术是一种常见的天线小型化技术,通过弯折实现曲流,可以有效减小天线的物理尺寸。弯折也会造成天线的增益等性能的降低,因此,在弯折时各段金属线的间距,弯折的各段金属线的长度的选取就成为能否在最小限度的降低天线性能的同时实现小型化的重要因素。同时,当电磁波在介质中传播时,其波长会变短,电磁波在介质中的波长可由式计算。其中εr是介质的介电常数,μr是介质的磁导率。因此通过降低电磁波在介质中传播的波长,也是实现天线的重要方法。一般将偶极天线的两个振子固定在介质基板上,即采用印刷天线的形式实现这种小型化方法,天线设计如图1所示。

该印刷电路板所占尺寸为15 mm×6 mm×1 mm,图1中实线所包围的黑色区域为介质上表面金属线,虚线所包围的灰色区域为介质下表面金属线,介质材料为FR—4基板,其尺寸为a×b=6×15 mm2,介质板厚度c=1 mm,金属线宽度m=0. 5 mm,k=1mm,天线两极终端间距为s,弯折的金属线间距w,弯折金属线单元长度g。

2　蓝牙天线的结构优化

w和g两个参数决定了天线的有效辐射长度,因此会对天线的阻抗特性和辐射特性有较大影响。采用CST Microwave Studio软件对该天线进行仿真,图2给出了w=0. 80 mm、1. 00 mm、1. 05 mm时天线的反射损耗的仿真结果,此时g=4 mm。仿真结果表明,天线的谐振频率随w的增大而减小,当w较小时,由于天线各金属段之间距离较近,辐射互相抵消,且电流之间的互耦增强,天线反射损耗增大;当w值太大时,天线的两个振子的终端距离s又减小,互耦也增大,天线的反射损耗也较大。最终选定天线的w=1 mm,此时s=1. 5 mm。

图3给出了当g=3. 8 mm、4 mm、4. 2 mm时天线的反射损耗的仿真结果,结果表明,随着g值的增大,天线的谐振频率降低,反射损耗增大,这也是由于弯曲电流间的互耦增加引起的。最终取g=4 mm。

按以上分析得到的参数在CST Microwave Studio软件中进行仿真,得到所设计的蓝牙天线的反射损耗、方向图和电流分布分别如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示。

仿真结果表明,天线的谐振频率为2.45 GHz,天线反射损耗低于-10 dB的频率范围为2.3GHz-2.6GHz,相对带宽为12.2%,覆盖了ISM频段。天线在YOZ面全向辐射,最大增益为0.9 dB。电流分布图表明,金属导体上的电流实现了曲流,将会产生电流之间的互耦以及x方向和y方向的辐射,这可以实现天线的小型化以及全向辐射。

为了验证上述效果,又仿真了工作在2. 45 GHz的在自由空间中的对称振子(天线2)和印刷于FR—4介质基板上的对称振子(天线3),将它们的反射损耗曲线、方向图和增益等指标与本文设计的天线(天线1)进行对比,得到如图5所示的结果;天线2的对称振子总长53. 4 mm,天线3的对称振子长49. 6 mm,相比于自由空间中的对称振子减小了8%的长度,天线1的长度为15 mm,仅相当于天线2的28%。通过对振子的弯折和FR—4介质基板的加载,实现了天线小型化的目的。另外,将振子弯折会使弯折各段金属的辐射互相影响和抵消,因此天线增益有所减小,但是同时弯折以及介质基板的引入可以增强x轴方向的辐射,从而使天线的全向性更好,仿真结果表明,与天线2相比,天线1的x方向的辐射增加了20 dB。

3　蓝牙天线的测试

按此结构参数制作了蓝牙天线,如图6所示,用AgilentHP8363矢量网络分析仪对天线的反射损耗进行测试,在微波暗室测试天线的方向图和增益,得到结果如图7所示。通过测试结果可知,天线谐振在2. 47 GHz,天线的反射损耗低于-10 dB频率范围为2. 4-2. 55 GHz,天线在YOZ面能够实现全向辐射,增益0. 8 dB。实验结果与仿真结果的趋势基本相同,但是比仿真得到的工作带宽略有减小,这可能是由于介质板的损耗引起的。将本文设计的蓝牙天线(天线1)与文献中的蓝牙天线(天线4)以及经典的对称振子天线(天线2)在尺寸、带宽、方向性及增益等性能进行对比,如表1所示。

本文设计的蓝牙天线虽然增益偏低,但其体积非常小,且带宽较宽,能近似于全球辐射,综合性能最优,适用于各类小型的蓝牙终端。

4　结论

设计了一种小型的全向辐射的蓝牙天线,该天线在2. 4 GHz-2. 55 GHz频段范围内反射损耗低于-10 dB,实现了偶极蓝牙天线的小型化,将天线尺寸降为15×6×1 mm3,仅是经典蓝牙天线体积的15-35%;天线可以实现全向的辐射,增益0. 8 dB;这种天线具有结构简单、成本低、体积小、重量轻等优点,可广泛适用于各种蓝牙系统,为蓝牙终端的进一步小型化提供了空间。