蓝牙微带贴片天线的设计分析

陈朝阳，马中华，杜 勇，杨光松 (集美大学信息工程学院，福建 厦门 361021)

蓝牙微带贴片天线的设计分析

陈朝阳，马中华，杜 勇，杨光松 (集美大学信息工程学院，福建 厦门 361021)

短距离的蓝牙通信主要用于室内的无线通信,要求蓝牙天线的体积和尺寸都很小,并且要求和物体共形。根据这种需求，设计了一种可工作于蓝牙频段的微带天线，在HFSS软件进行了建模和性能仿真，并通过微带阻抗变换器对天线的输入端进行匹配，最后得到了能用于室内通信的良好性能的蓝牙微带天线。

微带天线；吸收边界；辐射效率；增益

蓝牙通信主要用于短距离的无线通信，其主要应用于无线音响、无线网卡、无线鼠标、图象处理设备、安全产品、消费娱乐、汽车产品、家用电器、医疗健身、建筑、玩具等领域，应用非常广阔[1]。天线性能的优劣直接影响蓝牙通信性能，而且要求天线与物体共形、要求近似全向性的辐射场型，微带贴片天线成为首选。

蓝牙微带天线不但结构简单、制作成本低，同时蓝牙产品越来越小型化，对蓝牙天线大小的要求也越来越严格。笔者根据蓝牙的工作频段和天线的基本参数得出天线的尺寸，并在HFSS软件中进行了建模和仿真，通过微带阻抗变换器对天线的输入端进行匹配，得到能用于室内通信的性能良好的蓝牙微带天线。

1 设 计

1.1天线的基本参数

微带天线的经典分析方法主要有传输线模型法和空腔模型法[2～5]。根据传输线模型法得到的天线参数如下：中心频率fo=2.45GHz；工作频段2.4～2.4835GHz；驻波比系数VSRWlt;2.0 ，中心频率fo处VSWRlt;1.1；频带宽度:绝对带宽大于84MHz，且相对带宽在3%以上；增益Ggt;3dB；输入阻抗为50Ω。

1.2天线形状的设计

图1 微带天线设计模型图

以矩形贴片作为蓝牙微带天线的形状，以FR4_epoxy材料为基板介质，其相对介电常数εr=4.4，损耗因数为0.02。基片厚度h=5mm。蓝牙频段为2.403～2.483GHz，取其中心频率fo=2.45GHz。根据以上参数可得有效介电常数εe=3.811，等效长度Δl=2.2287mm，长度L=26.9mm[6]。

根据天线的尺寸在HFSS软件中建立模型如图1。采用微带线馈电，馈电点取在辐射边的中间，馈线长11.9mm，宽8mm。图1中设置了一个空气介质的辐射边界，即吸收边界。电磁波能够朝着辐射边界的方向辐射出去，而不是被限制在边界里面。系统在辐射边界吸收电磁波，本质上就可把边界看成是延伸到空间无限远处。辐射边界模拟了代表开放空间的表面。当边界条件被正确使用时，边界条件能够成功地用于简化模型的复杂性。此时辐射边界设为长宽各160mm，高度为70mm的空气盒子。

2 仿真分析

设贴片、馈线与接地板为有耗(非理想)导体，传导率为5.8×107Simemens/m。确定端口的激励模式，端口是唯一允许能量进入和流入天线结构的边界类型。通过HFSS仿真得到天线的回波损耗曲线，如图2所示。

从图2可以看出，谐振频率产生一个小小的漂移，不再是2.45GHz，主要是馈电点由于激励相位的关系，对天线的发射状况产生很大影响。当馈线沿天线宽边移动时，输入阻抗随之而变。馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移。改变天线尺寸，可补偿谐振频率的漂移，由于谐振频率左偏，减小贴片天线的长度L，则可以右移谐振频率点。通过仿真得到宽度为37.5mm，长度为26. 6mm时，修正天线的谐振频率得到了的回波损耗曲线如图3，此时天线的中心频率回到了2.45GHz，但天线的回波损耗非常的大，最小值只有6.5dB，需要对微带天线的输入阻抗进行匹配。

图2 微带天线的回波损耗曲线 图3 谐振频率修正后的回波损耗

图4 阻抗匹配后天线模型图

对天线模型输入端口仿真测试得到天线的输入阻抗为18.406426-j6.303753Ω，通过调节馈线的长度，使得天线的输入阻抗虚部趋于0。计算馈线最优长度d=12.8mm，优化后输入阻抗值为17.102574+j0.025218Ω。

对天线仿真，得到天线的回波损耗和电压驻波比特性图,如图5和图6所示。在图5中，中心频率处的回波损耗为-30dB，回波损耗大于-10dB的频段是100MHz，回波损耗达到了设计要求。图6中中心频率点的电压驻波比为1.08，电压驻波比小于2的频段接近100MHz，包括了蓝牙的工作频段(2.403～2.483GHz)，设计基本达到要求。

图5 天线回波损耗特性图 图6 天线电压驻波比特性图

天线在中心频率的输入阻抗的Smith圆图如图7所示，从图上也可以看出，输入阻抗非常接近匹配点，天线基本上达到了阻抗匹配，归一化阻抗近似为1，即50Ω。最终天线设计的参数值如表1。

表1 天线参数表

图7 中心频率处输入阻抗的Smith圆图

最后仿真测试天线的方向图如图8所示。图8(a)是蓝牙微带天线的三维增益方向图，在正Z轴的方向天线的辐射性能最好，但是在负Z轴辐射性能很差，这是因为天线做在电路板上，电路板的背面是铺地层，这样阻止了天线向背面辐射；图8(b)是天线H面方向图，在H面上是全方向性辐射；图8(c)是天线E面方向图，在E面方向是定向性辐射。最后得到最大单位角辐射强度为0.24062W/sr，方向性系数为4.6807；增益系数为3.0287，即增益为4.8125dB；在天线的输入功率为1W的情况下，天线的辐射功率为0.64602W，接收功率为0.99838W，天线的辐射效率为64.707%。

图8 天线的增益方向图

3 结 语

主要设计一种可用于蓝牙无线通信的矩形微带贴片天线，通过HFSS软件对设计的天线模型进行仿真、阻抗匹配和天线性能的优化。通过软件进行大量的仿真试验，最后得到最适合蓝牙无线通信的一款微带天线。这款蓝牙微带天线具有许多优点，如体积小、重量轻、剖面薄、容易与载体共形、与集成电路的兼容性好、易于大批量制作等。

[1]杨正君. 移动通信新技术[J].现代通信,2001,(12)：127～130.

[2]I·J·鲍尔,P·布哈蒂亚. 微带天线[M].梁联倬 等译.北京：电子工业出版社,1985.

[3]王增和,卢春兰,钱祖平. 天线与电波传播[M].北京：机械工业出版社,2003.

[4]孙玉发. 微带天线技术及其发展[J].无线电工程，1998,28(4)：13～15.

[5]党怀锁，刘延广.微带天线的设计研究[J].探测与控制学报，1999，21(1)：35～39.

[6]雷振亚. 射频/微波电路导论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[编辑] 洪云飞

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1673-1409(2009)01-N020-03

2008-12-24

福建省自然科学基金资助项目(A0740011)。

陈朝阳(1964-)，男，1982年大学毕业，硕士，教授，现在主要从事通信信息系统和微波技术等方面的教学与研究工作。