新型蓝牙PIFA天线设计
新型蓝牙PIFA天线设计
0 引言
蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般是1Om 之内)的无线电技术，能在设备之间进行无线信息交换，其工作频段是2.4～2.483 GHz 的全球通信自由频段，目前已广泛应用在移动通信设备中。
天线是蓝牙无线系统中用来传送与接收电磁波能量的重要必备组件。
由于目前技术尚无法将天线整合至半导体芯片中，故在蓝牙模块里除了核心的系统芯片外，天线是另一个影响蓝牙模块传输特性的关键性组件。
本文给出了一款倒F 型天线的设计，该天线尺寸小，设计简约，制造成本低，工作效率高，适用于蓝牙系统应用。
1 天线设计
倒F 型天线是上世纪末发展起来的一种天线，具有结构简单、重量轻、可共形、制造成本低、辐射效率高、容易实现多频段工作等独特优点，因此，近几年来，倒F 型天线得到了广泛的应用研究和发展。
倒F 天线是在倒L 天线abc 的垂直元末端加上一个倒L 结构edb 构成。
它使用附加的edb 结构来调整天线和馈电同轴线的匹配。
该天线具有低轮廓结构，辐射场具有水平和垂直两种极化，另外由于结构紧凑而且具有等方向辐射特性，同时其良好的接地设计可以有效提高天线的工作效率。
倒F 型天线在电路板上的布置网络分析仪的原理框由于待测设备的输入阻抗与网络分析仪的输出阻抗不可能理想匹配，因而必然会发射一部分信号。
这样，网络分析仪对输出与输入信号进行比较，即可得出待测设备的传输指标，如增益、插入损失、分配损失等;而对输出和反射信号进行对比，则可得出待测设备的反射指标(如反射损耗等)。
在对倒F 天线进行测试时，应先将高频导线焊接到PCB 上的天线测试。
PIFA天线原理
PIFA 天线设计1 引言PIFA 天线是目前应用最为广泛的手机内置天线，尺寸小。
具有重量轻、剖面低、造价便宜、机械强度好、频带宽、效率高、增益高、受周围环境影响小、对人体辐射伤害小、覆盖频率越多等一系列优点。
2 PIFA天线由来PIFA的演变过程可以从技术和理论两个不同的方面考虑。
从技术方面来说，它是由单极天线演变而来；从理论方面，PIFA可以由微带天线理论发展而来。
2.1单极天线演变而来先从短偶极子说起，其两臂上的电荷一正一负并成正弦变化时，也就产生了交变电流（场），对外辐射。
半波振子，上下臂各四分之一波长。
上下臂的电流大小对称流向相同（正负电荷成对），电流强度分布是从中间馈电点处向两端点逐步由大到小。
馈点处电流最大，电阻（因为正好谐振没有电抗）最小。
这样的天线为平衡天线（天线上电流上下臂平衡）。
现在去掉偶极天线的一臂，将另一臂换成无穷大地，大地对场的反射，根据镜像原理，一正电荷将在其镜像处感应出一负电荷，此时，天线的上臂将产生一镜像，该镜像上的电流分布完全等同于偶极天线的下臂，在这种情况下，我们称这种天线为单极天线。
对于无穷大地其辐射图等同于偶极子。
如果将地逐步缩小，将无法行程理想镜像，下面地的电流分布将发生变化。
单极子天线与对称振子天线的特性具有密切联系，实际应用中，由于单极子天线的馈电系统比对阵振子更简单，所以人们一般采用单极子天线。
半波长的λ的单极子天线可以调到谐振状态，并且其阻抗可以很容易对称振子天线或者/4与50Ω的馈线匹配，方向性系数都比小的对称振子天线稍高。
平面单极子（monopole）天线是移动通信终端中常用的一种天线形式，它具有良好的阻抗特性和辐射特性。
对单极子天线而言，其有效高度表征了其辐射的强弱。
因此有效高度是单极子天线的一个重要指标。
当单极子天线高度较低时，输入阻抗呈现为阻容性，高容抗，低阻抗。
若提高天线的电高度，辐射电阻将增大，损耗电阻也将下降，输入电容也会降低。
!PIFA天线的推论及计算方法
本人以为，PIFA 天线并非完全来自于微带天线的理论，它的原始创意 很可能是从波导天线的基本概念得出的。在波导天线系中，一个简单的波
具体设计。 由上文得出，天线从开路端到接地端的距离为 L=λg / 4；源距接地点（短
路面）的长度为 L1=0.17λg; 从源到开路面的距离 L2≈0.20λg；λg 为微
带电路的导波长，λg=λ/εe1/2。
a
b
c
即， a+b=λg / 4 2b+c=0.17λg a+b-c=0.20λg
由此可解出：a、b、c 的尺寸。 而对于计算介电常数在 2 和 6 之间的基片上 t≠0 的微带线的特性阻抗，文 献[5]顾其诤等著《微波集成电路设计》中的 P13 有一个经验公式：εe=0.475 εr+0.67，详见文献[5]。
1． 对于 PIFA 天线的设计，这种文章却很少，国内相关的书也极少。有 的讲，从源到开路端的长度是 1/4λg 的导波长。
2． 但短路线的设计尺寸却没有讲。 3． 对于天线的方向图，更是没有一点讲有关天线设计与图之间和对应关
系。 4． 还有就是它的基本理论出处
针对以上四个问题，本人认为国内对 PIFA 天线的认识是有限的，而我 们要认识 PIFA 天线，一般可以从工程设计上入手。但更为重要的是了解国 外设计师研发 PIFA 天线的思路，即他们是因何提出 PIFA 天线的？他们的 原始创意是从何而来？对此本人提出自己的一点看法。 1． PIFA 天线的创意及其理论基础
pifa天线
无线接口SMA是Sub-Miniature-A的简称,常用的无线路由/无线网卡的SMA的天线接口全称应为SMA反极性公头，就是天线接头是内部有螺纹的里面触点是针（无线设备一端是外部有螺纹里面触点是管）。
这种接口的无线设备是最最普及的，70%以上的AP、无线路由和90%以上的PCI接口的无线网卡都是采用这个接口，这个接口大小适中，手持对讲机等设备也有不少是这个类型，但里面的针和管却与标准SMA的无线设备相反的。
采用这个接口的无线AP和无线路由包括了大部分的民用设备。
TP-LINK、DLINK、美国网件、贝尔金等等品牌，只要是天线可拆卸的，基本上都用的这个接口。
SMA的天线接口就应该是SMA，并且SMA和RP-SMA不同的。
SMA分为很多种，极性方面的差异一个叫“SMA”，另一个叫“RP-SMA”，他们之间的差别就是：标准的SMA是：“外螺纹+孔”、“内螺纹+针”，RP-SMA 是：“外螺纹+针”、“内螺纹+孔”。
SMA-J 或SMA male 称为标准sma公头. SMA-K或SMA female 称为标准sma母头.是一种典型的微波高频连接器。
其使用最高频率是27GHz。
SMA 连接器是一种微型连接器，可使用于最高18GHz/26.5GHz的条件下。
其具有高力学强度、高耐久性、高可靠性及低VSWR等显著特点。
SMA连接器在各种微型回路包括密封结构的使用条件下是最佳的选择。
SMA连接器可以使用于各种不同的场合。
例如测量测试、移动通信、电子设备等等。
SMA主要性能指标：1).特性阻抗：50 Ω2).频率范围：配柔性电缆0~18GHz配半柔、半刚性电缆0~26.5GHz3).接触电阻：内导体≤3.0m Ω外导体≤2.0m Ω4).绝缘阻抗：≥ 5000M Ω5).介质耐压：1000V6).电压驻波比：配柔性电缆≤ 1.15+0.02配半柔、半刚性电缆≤ 1.10+0.027).耐久性：500次8).执行标准：MIL-C-39012摘要平面倒F天线（PIFA）因为它紧凑的尺寸和低姿态而深受便捷式无线设备的欢迎，PIFA 天线的设计操作靠一个地面，这个地面是天线集成不可分割的一部分。
PIFA天线和MONOPOLES天线设计注意事项及比较
PIFA天线基本注意：1：天线空间一般要求预留空间：W ，L，H其中W（15-25mm）L(35-45mm),H(6-8mm) 其中H和天线谐振频率的带宽密切相关。
W、L决定天线最低频率20mm×30mm×7mm。
双频（GSM/DCS）：600 ×6～8mm三频（GSM/DCS/PCS）：700 ×7～8mm满足以上需求则GSM频段一般可能达－1～0dBi，DCS/PCS则0～1dBi。
当然高度越高越好，带宽性能得到保证。
2：内置天线周围七毫米内正下方不能有马达，SPEAKER，RECEIVER 等较大金属物体。
有时候有摄相头出现，这时候应该把天线这块挖空，尽量做好摄相头FPC的屏蔽（镀银糨）否则会影响到接收灵敏度。
3：内置天线附近的结构件（面）不要喷涂导电漆等导电物质。
4：手机天线区域附近不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等。
5：内置天线正上、下方不能有与FPC 重合部分，且相互边缘距离七毫米以上。
6：内置天线与手机电池的间距应在5mm 以上。
7：手机PCB的长度对PIFA天线的性能有重要的影响，目前直板机天线长度75-105mm之间这个水平，8：馈点的焊盘应该不小于2mm*3mm;馈点应该靠边缘。
9. 天线区域可适当开些定位孔！10 在目前的有些超薄的滑盖机中，由于天线高度不够，可以通过挖空PIFA天线下方主板的地，然后在其背面在加一个金属的片，起到一个参考地的作用，达到满足设计带宽的要求。
MONOPOLAR (假天线)天线体积稍小、性能较差，一般不建议采用。
具体要求如下：1.内置天线周围七毫米内不能有马达，SPEAKER，RECEIVER 等较大金属物体。
2.天线的宽度应该不小于15m；3.内置天线附近的结构件（面）不要喷涂导电漆等导电物质。
4.手机天线区域附近不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等。
5.内置天线正上、下方不能有与FPC 重合部分，且相互边缘距离七毫米以上。
平面等角螺旋天线及巴伦的设计
平面等角螺旋天线及巴伦的设计随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能和设计受到了广泛。
其中，平面等角螺旋天线（Planar Inverted-F Antenna，简称PIFA）以及巴伦（Balun）是两种常用的天线和平衡转换器设计。
本文将介绍这两种天线的特点、设计原理和参数，旨在帮助读者深入了解其优势和应用场景。
平面等角螺旋天线是一种常见的宽带天线，具有体积小、易共形、易集成等优点。
它由一个平面的辐射元和一个螺旋状的地面构成，通过调整辐射元和地面的尺寸以及螺旋的匝数，可以实现在宽频带内的良好辐射性能。
平面等角螺旋天线的辐射原理主要依赖于螺旋的电流分布。
当高频电流在螺旋上流动时，会产生一个向外扩散的磁场，从而形成辐射。
由于螺旋的等角特性，电流在整个螺旋上均匀分布，使得天线在宽频带内具有稳定的辐射方向图和阻抗特性。
平面等角螺旋天线的特点在于其宽频带性能和易共形性。
通过改变螺旋的匝数和辐射元的尺寸，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持稳定的阻抗特性和辐射方向图。
在设计时，需要考虑的主要参数包括辐射元的尺寸、螺旋的匝数、介质基板的厚度和相对介电常数等。
巴伦是一种用于将不平衡的信号转换为平衡的信号，或反之亦然的平衡转换器。
在天线设计中，巴伦被广泛应用于将天线的不平衡信号转换为平衡信号，以实现更好的辐射性能。
下面以常见的威尔金森巴伦为例，介绍其设计原理和特点。
威尔金森巴伦是一种经典的巴伦设计，它利用两个对称的线绕线圈来实现不平衡到平衡的转换。
在线绕线圈的中心连接不平衡信号源，在线绕线圈的两侧连接平衡信号端口。
通过调整线圈的匝数和半径，以及源阻抗和负载阻抗的匹配，可以实现信号的高效传输。
威尔金森巴伦的特点在于其宽带性能和高效传输。
通过调整线圈的匝数和半径，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持高效传输。
在设计时，需要考虑的主要参数包括线圈的匝数和半径、源阻抗和负载阻抗的匹配等。
平面等角螺旋天线和巴伦是两种常用的天线和平衡转换器设计，具有广泛的应用场景。
蓝牙天线设计资料
1. 简介
该文档是上海慧翰信息技术有限公司推出的蓝牙模块的硬件设计经验总结，适用于本公司的各个型号模块的硬件设计参考，敬请按型号区分要点。
如有何问题，请直接与本公司的工程师联系，您将会得到更详细的说明。
2. 天线设计
2.1 PIFA天线设计
该天线设计适用于FLC-BTMDC705及FLC-BTMDC732模块的设计。
2.1.1 尺寸要求
该天线是经过调频特性的理论计算得出的尺寸大小，并经过实际设计验证的经验值，跟板材及环境都有关系。
按如下规格设计最远距离（无遮挡）可达20米。
图 1
2.1.2 布线要求
首先，建议将天线按尺寸设计成元件封装，方便摆放及后续项目设计，并可以防止拖动造成尺寸大小变化，而来回修改。
其次，该天线是与地线连接的，天线有效部分的周围及其下层（即
背面）不应用有元器、布线，更不应该铺铜，否则影响信号发射和接收，甚至无法正常工作。
第
三，该天线的接地点要求大面积接地，并多打过孔。
第四，该天线要求设计在PCB板的板边，尽量朝前面板，并要求周围避开铁质结构件。
2.1.3 板材要求
板材请选用：FR4，介电常数为 4.2
2.2 外引天线设计
请断开PIFA天线的连接电路，并用10pF的电容连接外引天线。
外引天线的线材要求采用
50欧高频屏敝电缆，并在尾部去掉3CM长的屏敝层。
线头的中间信号线焊接在天线输出端，而
屏敝铁线也应该焊在就近地线位置，该天线尾部应放置于前面板靠前位置或者引至铁壳之外。
手机内置环形PIFA天线的设计
手机内置环形ＰＩＦＡ天线的设计作者：官宗琪来源：《现代电子技术》2008年第04期摘要：提出一种GSM／DCS环形PIFA双频段内置天线。
这种天线是为了解决没有足够带宽，天线性能达不到要求的问题百提出的。
重点叙述环形PIFA天线的设计方案，通过在馈线和接地线之间开槽，形成一个环形，增加天线的带宽来解决上述问题。
给出该方案下测试出的天线的性能指标VSWR、辐射模式、发射功率和接收电平等，整个天线的性能在该方案下都达到标准。
关键词：PIFA内置天线；带宽；VSWR中图分类号：TN820文献标识码：B文章编号：1004—373X(2008)04—192—031 引言近几年随着移动通信终端手机技术的发展，一般要求终端尺寸小、重量轻、低剖面，天线具有全向辐射方向图。
此外，天线还必须具有环境传播特性，并且要牢固可靠，经得起运动时机械撞击和环境的影响，目前市场上的手机呈现出一种使用内置天线的趋势。
内置PIFA(平面倒F天线)天线有许多优点，比如能给设计者在手机设计方面有更多的自由空间，减小天线坏掉的可能性，SAR值比较小。
同时，内置PIFA天线也面临着一个主要的问题，天线的体积问题。
天线要工作在一个特定的频率，肯定要占用一定的体积。
也就是说，手机需要一定的空间让给内置PIFA天线，通常手机的尺寸是有限的，所以要做好一个内置PIFA天线，不仅要从性能方面考虑，而且对天线的体积也有要求。
随着手机的复杂度越来越高，体积越来越小，给予设计天线的尺寸也越来越小，这些限制势必影响到天线的带宽和性能。
针对以上问题，文中提出一种在馈线和接地线之间开槽形成环形的方法，并用此方法开发一种紧凑的PIFA天线。
这种天线在相同的天线尺寸下，增加了天线的带宽，同时天线的性能也达到设计的要求，解决了上述问题。
2天线的开发天线的形状如图1所示。
这个天线由馈线和接地线，表面金属片、前向金属片、侧面金属片和塑料架子组成，可以看出这个天线的最大不同在于馈线和接地线之间有一个环形。
HFSS仿真分析手机PIFA天线
第1节未开槽的手机平面倒F天线（PIFA）图1 手机PIFA天线的三维图1.1 建立模型天线的HFSS模型如表1及表2表1 手机PIFA天线三维体模型表2 手机PIFA天线的二维面模型在HFSS中建立新的工程，在HFSS>Solution Type中选择Driven Modal。
在Modeler>Units中选择mm。
（1）创建手机电路板gnd，设置为perfect E。
（a）由工具栏选择yz平面，点击Draw Rectangle ，输入顶点位置坐标，按回车键之后，输入矩形的尺寸。
选择，点击画图的窗口，将窗口中的矩形调整到合适大小。
双击中的rectangle1，将name栏的rectangle1改为名字gnd （b）为GroundPlane设置理想导体边界。
点击HFSS>Boundaries>Assign>Perf E在理想边界设置中，将理想边界命名为PerfE_gnd（2）创建天线底座，材料的相对介电常数为3.3。
（a）点击Box，起始点位置坐标(0mm,0mm,0mm.)，长方体X,Y,Z三个方向的尺寸：dx=8mm，dy=30mm，dz=-28mm，在属性中将长方体改名chassis（如图2）。
图2 chasiss与gnd（b）将材料的相对介电常数设置为3.3。
双击chassis，进入Attribute界面，点击Material右侧的栏目选择Edit（如图3（a）），进入Self Definition界面（如图3（b）），点击Add Material进入View/Edit Material界面。
Material name设为plastic，点击确定，回到Self Definition界面，选择plastic，点击确定，回到Attribute界面，此时Material右侧栏目变为“plastic”，点击确定。
（a）(b)(c)图3 设置材料界面（3）创建Patch，设置为perfect E。
PIFA天线的仿真设计
本科毕业论文(设计)题目：平面倒F缝隙天线的仿真分析学院：自动化工程学院专业：通信工程姓名：杜哲指导教师：宗卫华2010年5月30日Simulation Analysis of PIFA Slot Antenna摘要手机天线设计的主要指标是小型化、多频化和内置化。
平面倒F天线（PIFA）由金属地板、辐射贴片、短路贴片和馈电系统组成，其结构紧凑、成本低、制作容易，得到了广泛的应用。
但小型PIFA天线的带宽较窄，不易实现同时覆盖GSM800和GSM900，可以在地面开槽形成缝隙天线，通过缝隙引入新的谐振来展宽工作带宽。
论文在前人研究的基础上，利用HFSS12.0仿真了普通的PIFA天线和地面开槽的PIFA缝隙天线，并将二者进行了比较，证明了在地面开槽能够实现增加PIFA带宽的作用。
关键词平面倒F天线缝隙天线谐振频率回波损耗AbstractThe main indexes of mobile antenna design is miniaturization,multi-frequency and built-in. Planner inverted-F slot antenna consists of metal ground with slots,radiating patch,short circuit patch and feeding line.PIFA slot antenna，which has the features of compact size,low cost,easy to fabricate and has been applied widely.The compact PIFA has a narrow band at lower frequency,can not cover both of GSM800and GSM900.The bandwidth can be widened by introducing slots on the ground plane,because the slots can excite additional resonances.Based on existed studies,PIFA slot antenna and PIFA antennae has been simulated through electromagnetic simulation software HFSS12.0，the results show PIFA slot antenna has wider bandwith than traditional PIFA.Keyword Planar inverted F antenna(PIFA)Slot antenna Resonant frequency Return loss目录前言 (1)第一章绪论 (2)1.1研究背景及意义 (2)1.2本文内容及安排 (2)第2章PIFA和PIFA缝隙天线的理论分析 (4)2.1常见的PIFA天线举例 (5)2.2PIFA天线原理 (8)第三章平面倒F天线的仿真 (9)3.1建立新的工程模型 (9)3.2设置设置材料、源和边界条件 (13)3.3求解设置 (15)3.5后处理计算 (16)第四章缝隙天线的仿真分析 (21)4.1建立工程模型 (21)4.2设置设置材料、源和边界条件 (27)4.3求解设置 (28)4.4后处理计算 (28)结束语 (34)谢辞 (35)参考文献 (36)前言手机天线是手机的重要组成部分，按照安置方式分，目前手机天线主要有内置及外置天线两种。
天线设计(改)
折叠分支结构三频平面倒F天线(PIFA)设计S1008006 徐丽1.PIFA天线简介天线分为内置与外置，外置主要使用螺旋或者PCB，螺旋天线一般带宽比较好也比较常用，PCB 天线比较容易调频率易于设计，但爱立信有两项重要专利，所以在欧美市场上很少其他厂商使用。
还有一种假内置天线，其实就是外置天线的内置，性能相对比较差，一般不推荐使用。
内置天线而言，主要是PIFA与MONOPOLE天线。
平面倒F天线(PIFA)因其具有尺寸小，重量轻且后向辐射小等优点而成为目前内置天线的主要形式。
PIFA的结构示意图如下：图1 PIFA结构示意图PIFA的演变过程可以从技术和理论两个不同的方面考虑。
从技术方面来说，它是由单极天线演变而来；从理论方面，PIFA可以由微带天线理论发展而来。
下面详细介绍。
1)由单极天线演变而来传统的手机天线一般是单极或偶极天线，制作简单，但尺寸较大不易共形。
将单极子折倒形成倒L天线。
倒L天线剖面较低，也有着比较好的全向辐射特性。
但由于将振子折倒从而形成了对地电容分量，其输人阻抗呈现低阻值高阻抗的特性，难以进行阻抗匹配。
为了平衡倒L天线由于振子折倒而形成的对地容抗分量，在振子弯折处加载短路结构。
该短路结构所具有的感性分量补偿振子弯折所形成的对地容性分量，从而在不改变天线谐振频率的同时，达到变换阻抗的目的。
但是由于线形倒F天线频带窄，通常不到中心频率的百分之一，为了展宽频带，用平板结构来代替导线部分。
由于平面部分相当于许多线形天线阻抗的并联，因此平面型天线比线形天线的输入阻抗要低一些，产生了宽带的谐振特性。
从而形成了平面倒F天线。
上述内容可用图2生动表示：图2 PIFA的演变过程2)由微带天线演变而来平面倒F天线也可以看作是从矩形微带天线发展而来的，其典型结构包括一个矩形金属片（辐射贴片）、一个接地板（通常是电路板），采取同轴线馈电或微带馈电。
另外考虑到宽频、小型化等特性要求，还要有一个置于矩形辐射贴片短边边缘处的短路金属片（相当于短路加载）。