一种蓝牙耳机印刷天线的研究与应用

作     者：岳祥 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田传俊

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：蓝牙 印刷天线 史密斯圆图 小型天线 

摘      要：蓝牙技术是一种短距离无线通信标准,在消费电子类市场中有着广泛的应用。蓝牙耳机的通信系统通常是由天线单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙协议栈单元构成的,其中的天线单元是整个系统中的一个关键器件。由于蓝牙天线的工作频率和效率与它的物理尺寸有关,较大尺寸的天线不太适合物理空间受限的应用场合。因此,小尺寸蓝牙天线的研究具有重要实际应用意义。本论文提出了一种针对蓝牙耳机的小型天线的设计与应用方法。首先基于电磁场和微带天线的相关原理,运用HFSS仿真软件设计出一款小型天线。然后将该印刷天线用于蓝牙耳机硬件系统的设计与制作之中。最后对该蓝牙耳机的天线阻抗进行调试,并测试天线性能,发现其性能在天线输入阻抗、带宽、驻波比、天线效率、增益、极化方向和实测距离等方面都满足蓝牙技术设计的基本要求。且部分性能有所优化。本文的主要研究工作包括:1)在印刷天线的设计及后端仿真数据上,利用HFSS仿真软件对蓝牙耳机结构进行了恰当的建模。在调整和优化印刷天线宽度、间距、馈地、长度等参数之上,采用蜿蜒曲折的方式设计出一款性能良好的小尺寸天线。后端仿真数据表明了所设计的天线具有蓝牙技术所要求的多项理想参数值,如中心频点为2.44GHz时S11为-23d B,天线输入阻抗接近50欧姆,带宽为78MHz,天线增益为1.38d Bi,效率80%,辐射方向接近全向等,与常规的PIFA天线相比有更小的尺寸。2)在蓝牙耳机硬件设计上,先综合设计出蓝牙耳机主芯片及其外围电路的原理图。之后再利用PADS Layout软件进行了线路板设计,同时通过Si9000工具计算出RF传输线参数,并在对设计完成的印刷天线进行整合之后,完成了一款蓝牙耳机硬件系统的设计与制作。3)在天线性能的调试和分析上,基于史密斯圆图的表现形式,总结出调节多支节混合匹配器在阻抗圆变化规律。之后使用矢量网络分析仪,对硬件系统的天线部分进行阻抗匹配调试和测试,并在暗波实验室中对天线辐射效果进行了测试。该印刷天线在蓝牙中心频率2440MHz时S11值为-29d B,带宽为150MHz,最大增益为-0.78d Bi,最大效率为39.5%,整机测试正向距离15.2m,符合小结构蓝牙耳机天线性能要求。最后与已经生产的陶瓷天线样机进行对比,2440MHz时S11值为-10.5d B,带宽为50MHz,最大增益为0.19d Bi,最大效率为24.3%,整机测试正向距离10.4m。测试结果表明,该印刷天线在大多数性能上指标均改良不少。总之,本论文针对一款蓝牙耳机所设计的小型天线具有如下优点:（1）该印刷天线的物理尺寸比较小,适合小结构。（2）该天线是印制在线路板上,不需额外成本,省掉贴装工序。（3）该天线总体性能还不错,符合蓝牙耳机天线要求。