藍(lán)牙微帶貼片天線的設(shè)計(jì)分析

陳朝陽(yáng)，馬中華，杜 勇，楊光松 (集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

藍(lán)牙微帶貼片天線的設(shè)計(jì)分析

陳朝陽(yáng)，馬中華，杜 勇，楊光松 (集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

短距離的藍(lán)牙通信主要用于室內(nèi)的無線通信,要求藍(lán)牙天線的體積和尺寸都很小,并且要求和物體共形。根據(jù)這種需求，設(shè)計(jì)了一種可工作于藍(lán)牙頻段的微帶天線，在HFSS軟件進(jìn)行了建模和性能仿真，并通過微帶阻抗變換器對(duì)天線的輸入端進(jìn)行匹配，最后得到了能用于室內(nèi)通信的良好性能的藍(lán)牙微帶天線。

微帶天線；吸收邊界；輻射效率；增益

藍(lán)牙通信主要用于短距離的無線通信，其主要應(yīng)用于無線音響、無線網(wǎng)卡、無線鼠標(biāo)、圖象處理設(shè)備、安全產(chǎn)品、消費(fèi)娛樂、汽車產(chǎn)品、家用電器、醫(yī)療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域，應(yīng)用非常廣闊[1]。天線性能的優(yōu)劣直接影響藍(lán)牙通信性能，而且要求天線與物體共形、要求近似全向性的輻射場(chǎng)型，微帶貼片天線成為首選。

藍(lán)牙微帶天線不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，同時(shí)藍(lán)牙產(chǎn)品越來越小型化，對(duì)藍(lán)牙天線大小的要求也越來越嚴(yán)格。筆者根據(jù)藍(lán)牙的工作頻段和天線的基本參數(shù)得出天線的尺寸，并在HFSS軟件中進(jìn)行了建模和仿真，通過微帶阻抗變換器對(duì)天線的輸入端進(jìn)行匹配，得到能用于室內(nèi)通信的性能良好的藍(lán)牙微帶天線。

1 設(shè) 計(jì)

1.1天線的基本參數(shù)

微帶天線的經(jīng)典分析方法主要有傳輸線模型法和空腔模型法[2～5]。根據(jù)傳輸線模型法得到的天線參數(shù)如下：中心頻率fo=2.45GHz；工作頻段2.4～2.4835GHz；駐波比系數(shù)VSRWlt;2.0 ，中心頻率fo處VSWRlt;1.1；頻帶寬度:絕對(duì)帶寬大于84MHz，且相對(duì)帶寬在3%以上；增益Ggt;3dB；輸入阻抗為50Ω。

1.2天線形狀的設(shè)計(jì)

圖1 微帶天線設(shè)計(jì)模型圖

以矩形貼片作為藍(lán)牙微帶天線的形狀，以FR4_epoxy材料為基板介質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，損耗因數(shù)為0.02?；穸萮=5mm。藍(lán)牙頻段為2.403～2.483GHz，取其中心頻率fo=2.45GHz。根據(jù)以上參數(shù)可得有效介電常數(shù)εe=3.811，等效長(zhǎng)度Δl=2.2287mm，長(zhǎng)度L=26.9mm[6]。

根據(jù)天線的尺寸在HFSS軟件中建立模型如圖1。采用微帶線饋電，饋電點(diǎn)取在輻射邊的中間，饋線長(zhǎng)11.9mm，寬8mm。圖1中設(shè)置了一個(gè)空氣介質(zhì)的輻射邊界，即吸收邊界。電磁波能夠朝著輻射邊界的方向輻射出去，而不是被限制在邊界里面。系統(tǒng)在輻射邊界吸收電磁波，本質(zhì)上就可把邊界看成是延伸到空間無限遠(yuǎn)處。輻射邊界模擬了代表開放空間的表面。當(dāng)邊界條件被正確使用時(shí)，邊界條件能夠成功地用于簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜性。此時(shí)輻射邊界設(shè)為長(zhǎng)寬各160mm，高度為70mm的空氣盒子。

2 仿真分析

設(shè)貼片、饋線與接地板為有耗(非理想)導(dǎo)體，傳導(dǎo)率為5.8×107Simemens/m。確定端口的激勵(lì)模式，端口是唯一允許能量進(jìn)入和流入天線結(jié)構(gòu)的邊界類型。通過HFSS仿真得到天線的回波損耗曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，諧振頻率產(chǎn)生一個(gè)小小的漂移，不再是2.45GHz，主要是饋電點(diǎn)由于激勵(lì)相位的關(guān)系，對(duì)天線的發(fā)射狀況產(chǎn)生很大影響。當(dāng)饋線沿天線寬邊移動(dòng)時(shí)，輸入阻抗隨之而變。饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合改變，因而使諧振頻率產(chǎn)生一個(gè)小的漂移。改變天線尺寸，可補(bǔ)償諧振頻率的漂移，由于諧振頻率左偏，減小貼片天線的長(zhǎng)度L，則可以右移諧振頻率點(diǎn)。通過仿真得到寬度為37.5mm，長(zhǎng)度為26. 6mm時(shí)，修正天線的諧振頻率得到了的回波損耗曲線如圖3，此時(shí)天線的中心頻率回到了2.45GHz，但天線的回波損耗非常的大，最小值只有6.5dB，需要對(duì)微帶天線的輸入阻抗進(jìn)行匹配。

圖2 微帶天線的回波損耗曲線 圖3 諧振頻率修正后的回波損耗

圖4 阻抗匹配后天線模型圖

對(duì)天線模型輸入端口仿真測(cè)試得到天線的輸入阻抗為18.406426-j6.303753Ω，通過調(diào)節(jié)饋線的長(zhǎng)度，使得天線的輸入阻抗虛部趨于0。計(jì)算饋線最優(yōu)長(zhǎng)度d=12.8mm，優(yōu)化后輸入阻抗值為17.102574+j0.025218Ω。

對(duì)天線仿真，得到天線的回波損耗和電壓駐波比特性圖,如圖5和圖6所示。在圖5中，中心頻率處的回波損耗為-30dB，回波損耗大于-10dB的頻段是100MHz，回波損耗達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖6中中心頻率點(diǎn)的電壓駐波比為1.08，電壓駐波比小于2的頻段接近100MHz，包括了藍(lán)牙的工作頻段(2.403～2.483GHz)，設(shè)計(jì)基本達(dá)到要求。

圖5 天線回波損耗特性圖 圖6 天線電壓駐波比特性圖

天線在中心頻率的輸入阻抗的Smith圓圖如圖7所示，從圖上也可以看出，輸入阻抗非常接近匹配點(diǎn)，天線基本上達(dá)到了阻抗匹配，歸一化阻抗近似為1，即50Ω。最終天線設(shè)計(jì)的參數(shù)值如表1。

表1 天線參數(shù)表

圖7 中心頻率處輸入阻抗的Smith圓圖

最后仿真測(cè)試天線的方向圖如圖8所示。圖8(a)是藍(lán)牙微帶天線的三維增益方向圖，在正Z軸的方向天線的輻射性能最好，但是在負(fù)Z軸輻射性能很差，這是因?yàn)樘炀€做在電路板上，電路板的背面是鋪地層，這樣阻止了天線向背面輻射；圖8(b)是天線H面方向圖，在H面上是全方向性輻射；圖8(c)是天線E面方向圖，在E面方向是定向性輻射。最后得到最大單位角輻射強(qiáng)度為0.24062W/sr，方向性系數(shù)為4.6807；增益系數(shù)為3.0287，即增益為4.8125dB；在天線的輸入功率為1W的情況下，天線的輻射功率為0.64602W，接收功率為0.99838W，天線的輻射效率為64.707%。

圖8 天線的增益方向圖

3 結(jié) 語

主要設(shè)計(jì)一種可用于藍(lán)牙無線通信的矩形微帶貼片天線，通過HFSS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的天線模型進(jìn)行仿真、阻抗匹配和天線性能的優(yōu)化。通過軟件進(jìn)行大量的仿真試驗(yàn)，最后得到最適合藍(lán)牙無線通信的一款微帶天線。這款藍(lán)牙微帶天線具有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、剖面薄、容易與載體共形、與集成電路的兼容性好、易于大批量制作等。

[1]楊正君. 移動(dòng)通信新技術(shù)[J].現(xiàn)代通信,2001,(12)：127～130.

[2]I·J·鮑爾,P·布哈蒂亞. 微帶天線[M].梁聯(lián)倬 等譯.北京：電子工業(yè)出版社,1985.

[3]王增和,盧春蘭,錢祖平. 天線與電波傳播[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4]孫玉發(fā). 微帶天線技術(shù)及其發(fā)展[J].無線電工程，1998,28(4)：13～15.

[5]黨懷鎖，劉延廣.微帶天線的設(shè)計(jì)研究[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，1999，21(1)：35～39.

[6]雷振亞. 射頻/微波電路導(dǎo)論[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[編輯] 洪云飛

TN925+.91

A

1673-1409(2009)01-N020-03

2008-12-24

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(A0740011)。

陳朝陽(yáng)(1964-)，男，1982年大學(xué)畢業(yè)，碩士，教授，現(xiàn)在主要從事通信信息系統(tǒng)和微波技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作。