一种低成本小型化蓝牙天线

一种低成本小型化蓝牙天线

冯波涛1,2,丁潇3

（1.深圳市博达盛科技有限公司；2.深圳大学电子与信息工程学院，深圳 518060，；3.澳门科技大学人文与艺术学院，澳门 999078）

摘要: 本文提出了一种低成本的小型化蓝牙天线，由旋转对称的单极子构成，在底部引入短路线，调整阻抗谐振点。通过使用金属通孔连通正反两面，获得小型化、全向辐射的效果。从仿真结果可得，工作带宽可以覆盖2.35-2.53GHz(VSWR＜2)，能满足蓝牙天线工作频段(2.4-2.4835 GHz)的需求，增益可达到2.33 dBi，具有非常良好的水平全向辐射性能，交叉极化水平<-25 dB，同时板载天线体积为22.3×10.6×2mm³，具有小型化的优势，符合实际通信应用中全方位覆盖的场景需求。此外，由于引入了短路点与底部金属地连接，有利于和有源电路板进行集成。

关  键  词: 蓝牙天线; 小型化；低成本

中图分类号: TN821文献标识码: A

A low-cost and miniaturized Bluetooth antenna

Botao Feng1,2, Xiao Ding 3

(1.Shenzhen Broad-Shine Technology Company Ltd.; 2.College of Electronics and Information Engineering, Shenzhen University;3. Faculty of Humanities and Arts, Macau University of Science and Technology.)

Abstract: A low-cost miniaturized Bluetooth antenna is proposed, which consists of a rotating-symmetrical monopole. A short line at the bottom that is used to adjust the impedance resonance is introduced. The metal hole is employed to connect the positive and negative sides, which is conducive to the miniaturized and omnidirectional radiation effect. It can be seen from the simulated results that the bandwidth can cover the frequencies of 2.40-2.58 GHz(VSWR < 2), which can meet the requirements of the Bluetooth antenna working band (2.4-2.4835GHz), with a peak gain of up to 2.33 dBi. The horizontal omnidirectional radiation also displays good performance, including a cross-polarization level of better than 25 dB. At the same time, the size of the board is 22.3×10.6×2 mm³, which has the advantages of miniaturization and meets the requirements of omnidirectional communication in practical applications. In addition, due to the utilization of the short circuit point and the bottom metal connection, it is integrated into circuit board easily.

Key words: Bluetooth antenna; miniaturization; low cost

1引言

蓝牙是一种无线通信技术，用于在短距离内传输数据和音频[1]。蓝牙技术最初于1994年由Ericsson公司提出，并在1998年推出了第一个蓝牙规范[2]，其工作频段为(2.4GHz~2.4835GHz)。蓝牙天线是与蓝牙无线通信模块配合使用的设备，用于发送和接收无线信号。蓝牙天线广泛应用于各种场景，例如智能手机、平板电脑、耳机和音箱等设备。在无线传感器网络中用于物联网（IoT）应用中的数据传输和通信。以及车载通信音频系统，医疗设备中医疗传感器和监测设备等。

早期的蓝牙天线研究主要关注天线设计和性能优化。2002年的一项研究[3]提出了一种多频段蓝牙天线设计，以实现宽带和高增益。该研究探索了天线几何形状、天线材料和天线元件布局等因素对性能的影响。随着移动设备的普及，对小型化和集成化蓝牙天线的需求增加。研究人员致力于在有限空间内实现高性能天线，通过优化结构和几何形状来实现高增益和宽带。2011年的研究[4]提出了一种基于微带线的紧凑型蓝牙天线设计，通过优化天线结构和几何形状来实现高增益和宽带。随着4G时代到来，天线阵列技术被广泛研究，以提高蓝牙系统的性能和容量。2014年的一项研究[5]介绍了一种基于多输入多输出（MIMO）天线阵列的蓝牙通信系统。该研究探索了天线阵列设计、配置和信号处理算法等方面，以提高通信质量和抗干扰性能。

本文给出了一种低成本小型化蓝牙天线。首先阐述了微带天线的工作原理，然后介绍了如何实现小型化蓝牙天线设计，最终给出了仿真结果。从结果可以看出，蓝牙天线的工作带宽可以覆盖2.35-2.53 GHz (VSWR＜2)，增益可达2.33 dBi，全向辐射性能良好，能满足实际应用需求。

2微带蓝牙天线的工作原理

微带天线主要由三个基本部分组成：金属贴片、基底（介质基板）和接地平面。金属贴片是一块薄导电材料，负责辐射和接收无线信号。微带天线的工作原理基于微带结构上的电磁耦合效应。当高频信号通过金属贴片时，它在金属贴片和接地平面之间形成电磁场。这个电磁场通过基底的耦合效应，使得金属贴片上的电荷加速和振荡，从而产生电磁波并辐射到空间中。在实际的分析过程中常使用传输线模型进行等效分析，即将矩形贴片天线等效为一段微带传输线，两端可以等效为一个二元缝隙阵列，从等效电路分析可以相当于一对并联导纳。在微带贴片中耦合辐射部分同样可以根据其原理进行分析设计。

文献[8]了提出了一种用于移动设备的低轮廓、紧凑的微带蓝牙天线的设计和优化。作者提出了一种基于微带天线的设计方法，并通过优化天线结构和参数，实现了较低的天线高度和良好的性能，可作为小型化微带蓝牙天线设计时的参考。

3天线结构

如图1所示，图1(a)为天线的3D视图，由蓝牙天线以及模拟的有源电路板金属地组成。板载天线体积为22.3×10.6×2mm³。蓝牙天线与金属地板呈垂直放置。蓝牙天线使用厚度H1=为2mm的FR-4(ε=4.4，损耗正切tan=0.02)基板，在厚度为H0=1mm的FR-4板材底盘中心开槽，将天线嵌入其中。PCB天线由“L”型贴片和弯折接地线组成，并且通过金属通孔连接到背面，金属通孔连通的背部结构同样与正面结构沿垂直对称轴对称，构成直接辐射部分。另一部分旋转对称放置，呈倒“L”型，作为耦合辐射部分。

对于直接辐射部分中的“L”型贴片，通过调整贴片长度参数L4和L5，天线的谐振点会发生偏移，通过调节寄生枝节L7的长度，可以改变电流分布，加强谐振深度，增大有效辐射面积。在实际的调试过程中，由于可调节枝节参数较多，因此具有较好的灵活性，方便调试。对于所使用的弯折接地线，由于引入了电流零点，对天线的谐振点影响较大，通过调整短路线与馈线的距离参数g，改变对地的等效电感值，从而影响辐射模式。

在微带走线结构中引入了直径为d的金属通孔，使正反两面走线电连接，有效的利用了板材空间，增加了电长度，有利于小型化设计。此外，由于正反两面走线呈对称分布，能实现良好的全向性辐射，具有低不圆度的效果。

蓝牙天线底部嵌入半径R=20mm，板材为FR4的圆盘当中，一方面可接入弯折接地线的馈电点，作为回流路径，另一方面可便于与有源电路板进行集成，结合多个参数的灵活可调性，在实际应用中可方便的调整因集成在整机环境时带来的谐振点偏移。

(a)3D视图

（b）天线单元上表面 （c）天线单元下表面

图1 天线结构图

表1 天线参数表格(毫米)

4结果分析及讨论

图2为蓝牙天线的|S11|以及增益性能图。从图中可以看到，工作带宽为2.35-2.53GHz(VSWR＜2)，能覆盖蓝牙天线工作频段(2.4-2.4835GHz)，并且具有较大余量，预防工艺误差带来的影响。通过调整贴片长度的主要参数L4和L5，以及弯折接地线和馈电线的距离g，可以灵活调整谐振点所在频段。在工作带宽内蓝牙天线的增益为2.25-2.33dBi，增益曲线较为平稳，说明在较宽频带内，辐射模式保持稳定，符合实际应用需求。

图2 蓝牙天线|S11|和增益性能图

图3分析了参数g对谐振带宽|S11|的影响。从图3中可以看到，当g的值从小到大变化时，带宽谐振点发生右移，符合一定的线性规律。这是由于改变了电磁波的回流路径，对地的等效分布电感改变，影响天线谐振点所在频率。最终选取当g=1.2mm时，性能最优。

图3 参数g对谐振带宽|S11|的影响

图4选取了蓝牙天线在2.45GHz时，E面和H面的辐射方向图，从图4(a)中可以看到，E面辐射方向图呈现标准的“8”字型，具有良好的对称性，并且交叉极化水平交叉极化水平<-25dB，具有良好的线极化效果。同理，图4(b)为H面辐射方向图，具有非常良好的全向辐射性能，不圆度较低，交叉极化水平<-25dB。这是由于采用了旋转对称耦合的结构，电磁波在各个方位分布均匀，从而形成的良好全向辐射性能。图5为在2.45GHz处对应的3D辐射方向图。

(a)E面辐射方向图(2.45GHz)

(b)H面辐射方向图(2.45GHz)

图4 天线E面、H面的辐射方向图(2.45GHz)

图5 天线3D辐射方向图(2.45GHz)

5结束语

随着通信系统的不断发展，对于蓝牙天线的小型化、低成本化以及便于集成化提出了更高的要求，这就要求在设计过程中保证辐射性能的前提下，实现更小的体积和更低的成本。本文通过引入弯折接地线、金属通孔导通正反面等小型化技术，实现了良好带宽覆盖以及2.33 dBi稳定的全向辐射增益，交叉极化水平<-25dB，隔离度＞25dB。因此，其在未来的高集成小型化通信系统中具有较好应用前景。

参考文献:

[1]朱昭华.浅析蓝牙技术[J].电声技术,2018,42(04):70-72.

[2] 

[3]张琪琪.探究蓝牙技术的原理及应用[J].中国新通信,2018,20(23):98-99.

[4]P. M. Raj, "A novel design of a Bluetooth antenna for a microstrip patch," International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2002, no. 6, pp. 283-287, 2002.

[5]S. Y. Huang et al., "A compact planar Bluetooth antenna using a meandered strip and an inverted-L strip," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 10, pp. 570-573, 2011.

[6]Z. M. Hussain et al., "A MIMO antenna array design for Bluetooth communication systems," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, pp. 1063-1066, 2014.

[7]M. Y. Hwang et al., "Bluetooth indoor positioning system using received signal strength," Sensors, vol. 16, no. 8, p. 1211, 2016.

[8]M. Ali, M. T. Islam, and N. Misran, "A review of compact printed antennas for wireless communication devices," Sensors, vol. 14, no. 9, pp. 16932-16970, 2014.

[9]Y. J. Cho, "Design and optimization of a low-profile compact Bluetooth antenna for mobile devices," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 154-157, 2009.

[10]A. R. Sebak, "Microstrip patch antennas: A designer's guide," IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 45, no. 1, pp. 34-49, 2003.

[11]Y.-J. Cho, "Design and optimization of a low-profile compact Bluetooth antenna for mobile devices," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 154-157, 2009.