CN213717050U

CN213717050U - 一种蓝牙天线

Info

Publication number: CN213717050U
Application number: CN202023054496.0U
Authority: CN
Inventors: 陈鸿海; 孙学良; 赵鹤鸣
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2030-12-16

Abstract

本实用新型涉及一种蓝牙天线，包括：介质板、接地板和辐射板，其中，所述接地板贴合于所述介质板的下表面，且所述接地板的下表面上覆盖有铜层，一贯通孔贯穿所述介质板和所述接地板，所述辐射板铺设于所述介质板的上表面，并穿过所述贯通孔与所述接地板下表面上的铜层连接，所述辐射板包括倒F形的第一部分和类似于e形的第二部分。通过这样的设计能够满足在不改变蓝牙模块结构的条件下，实现蓝牙无线信号的远距离传输。

Description

一种蓝牙天线

技术领域

本实用新型涉及无线信号通信领域，具体涉及一种远距离蓝牙天线。

背景技术

蓝牙(Bluetooth)技术主要是家庭或企业网络环境中各种电子产品，针对话音和数据的短距离射频连接技术。蓝牙无线电运行在2.4-2.5GHz 频段。随着蓝牙无线通信技术的快速发展，越来越多的电子产品都具有通过蓝牙通信技术来实现无线信号的传输的功能，蓝牙天线就成为了一个具有影响蓝牙产品传输特性的关键性组件。不同的蓝牙产品采用的蓝牙天线种类不尽相同，目前蓝牙产品常用的天线主要有陶瓷天线、PCB天线和 IPEX外接天线。陶瓷天线是一种适合于蓝牙产品使用的小型化天线，但天线的增益不高，从而造成陶瓷天线无法进行远距离无线信号的传输，影响陶瓷天线的性能。集成在蓝牙模块上的PCB天线，其辐射场强均匀仅局限在一个平面上，天线的场强分布不均匀，容易造成定位上的错误。同时，容易受到主板上的干扰，也不适合于蓝牙无线信号的远距离传输。

近年来，国内外学者提出了多款不同种类的蓝牙天线。文献[T.Lin,Y. Lin,H.Chen and J.C.Hsu,"Compact UHF near-field RFID reader antenna,"2014International Symposium on Antennas and Propagation ConferenceProceedings,Kaohsiung,2014,pp.629-630.]提出了一种新型的小型化微带馈电平面单极子天线，该天线采用阿基米德螺旋槽，覆盖WiFi、蓝牙和 LTE标准，但天线的增益最高只为2.97dB。文献[B.Shrestha,A.Elsherbeni and L.Ukkonen,"UHF RFID Reader Antennafor Near-Field and Far-Field Operations,"in IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,vol.10,pp. 1274-1277,2011.]提出了一种双频印刷单极子天线，该天线包括两个不同尺寸的矩形贴片，模拟阻抗带宽为46.25(1.958～3.13GHz)，带宽比较窄。文献[J.KizhekkePakkathillam and M.Kanagasabai,"A Novel UHF Near-Field RFIDReader Antenna Deploying CSRR Elements,"in IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.65,no.4,pp.2047-2050, April 2017.]提出了一种工作在800～970MHz和1.5～5.9GHz频段的宽带 PIFA天线，其驻波比小于3，天线体积4×2×1cm³尺寸较大。文献[C.Cho, C.Lee,J.Ryoo and H.Choo,"Planar Near-Field RFID Reader Antenna forItem-Level Tagging,"in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.10,pp.1100-1103,2011.]提出了一种在PCB板上集成蓝牙模块的可调谐天线。提出的可调谐天线结构由一个曲线型天线与蓝牙模块、条形线和PCB 板中的芯片电容器集成而成。通过改变电容值，可以在不降低分数输入阻抗的情况下，改变工作频率，使输入阻抗易于匹配。由于无源芯片电容起作用损耗，峰值和平均增益较低。文献[X.Wei,B.Hu andH.Zhang,"Novel UHF Near-Field RFID Reader Antenna Based on Double-SidedParallel-Strip Line,"in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.13,pp. 419-422,2014.]提出了一种具有2.45GHz蓝牙通信的小型天线，采用电流消除技术，提高了远场辐射效率，设计的天线在2.45GHz蓝牙环境下的辐射效率为57％，发射端与接收机之间的距离为20m，天线的结构复杂，而且传输距离也不够远。文献[Y.Yao,Y.Liang,J.Yu and X.Chen,"Design of a Multipolarized RFID Reader Antenna forUHF Near-Field Applications," in IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.65,no.7,pp. 3344-3351,July 2017.]采用先进的弯曲线技术，在陶瓷介质和基片两面(1.0mm厚的FR-4)上形成了一种新型的片状陶瓷介质天线，它具有10dB 的回波损耗带宽(2.4～2.48GHz)和0.5dB测量的蓝牙辐射增益。

但是，以上类型的蓝牙，其传输距离均有所限制，仅能在较短的空间距离内实现数据传输。超出一定范围，其效率会明显下降，甚至根本无法传输。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型构造了一种高带宽、高增益，而且可以进行远距离蓝牙无线信号传输的小型化螺旋天线。

本实用新型在基于平面倒F天线(PIFA)的基础上，设计了一款螺旋天线(SpiralPIFA)，能够满足在不改变蓝牙模块结构的条件下，实现蓝牙无线信号的远距离传输。螺旋天线主要用于内部集成了IPEX转接器的蓝牙芯片，天线可以通过IPEX转接线与蓝牙芯片连接，从而实现蓝牙模块无线信号的远距离传输，具有小型化、宽频宽、高增益的特性。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种蓝牙天线，其特征在于，包括：

介质板、接地板和辐射板，

所述接地板贴合于所述介质板的下表面，且所述接地板的下表面上覆盖有铜层，一贯通孔贯穿所述介质板和所述接地板，

所述辐射板铺设于所述介质板的上表面，并穿过所述贯通孔与所述接地板下表面上的铜层连接，

所述辐射板包括呈倒F形的第一部分和呈e形的第二部分。

在一较佳的实施方式中，该辐射板的第一部分包括：第一矩形条、第二矩形条及第三矩形，

所述第二、第三矩形条分别连接于所述第一矩形条，

在一较佳的实施方式中，第二矩形与第三矩形平行。

在一较佳的实施方式中，该辐射板的第二部分包括：长×宽为1.8mm ×1.0mm的第四矩形条，和一螺旋线组成，所述螺旋线的宽为1.0mm。

在一较佳的实施方式中，该螺旋线的圈数介于1～3，重叠部分内外圈间的间隙为0.5mm，且其靠近中心的一端连接于所述第四矩形条的其中一端。在一较佳的实施方式中，该螺旋的圈数为1.6圈。

在一较佳的实施方式中，该第一矩形条的第二端部从外侧连接于所述螺旋线上。

在一较佳的实施方式中，该第二矩形条的第一端和所述第三矩形条的第一端连接于所述第一矩形条上，所述第二矩形条的第二端为接地点，

被连接至接地板，

所述第三矩形条的第二端为馈电点。

在一较佳的实施方式中，所述辐射板的第一部分由长×宽为7.35mm ×0.7mm的第一矩形条，和垂直于该第一矩形条的长×宽为1.8mm× 0.9mm的第二矩形条，以及垂直于该第一矩形条的长×宽为1.5mm× 1.2mm的第三矩形条组成，所述第二、第三矩形条均连接于所述第一矩形条之上，且所述第二矩形条距离所述第一矩形条的第一端部为0.5mm，所述第三矩形条与所述第二矩形条的间距为1.0mm。

有益效果

本申请提出的蓝牙天线结构设计，具有如下的效果：

(1)能覆盖蓝牙工作的ISM频段(2.4-2.48GHz)；

(2)能够满足蓝牙模块有效通信距离50米的要求；

(3)具有宽频带、高增益、小型化的特性；

(4)天线结构简单，且便于调试安装。

附图说明

图1是本实用新型的蓝牙天线的整体图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是本实用新型的辐射板的示意图。

图4是本实用新型的天线输入阻抗仿真曲线图。

图5是本实用新型的天线仿真的回波损耗曲线图。

图6是本实用新型的天线三维增益方向图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本实用新型而不限于限制本实用新型的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

如图1-3所示，本申请提出一种蓝牙天线100，包括：介质板1、接地板3和辐射板2，其中，所述介质板1为厚度为1mm、直径为20mm、材质为玻璃纤维环氧树脂(FR4)的圆形板，相对介电常数εr＝4.4，损耗正切tanδ＝0.02，所述接地板3贴合于所述介质板的下表面，且所述接地板的下表面上覆盖有铜层12，该铜层作为接地点。一贯通孔11贯穿所述介质板1和所述接地板3，所述辐射板2铺设于所述介质板1的上表面10，并穿过所述贯通孔11与所述接地板3下表面10’上的铜层12连接，该辐射板包括倒F形的第一部分和类似于e形的第二部分。

如图3所示，其中，所述辐射板的第一部分由长L1×宽H1为7.35mm ×0.7mm的第一矩形条21，和垂直于该第一矩形条21的长H2×宽W2 为1.8mm×0.9mm的第二矩形条22，以及垂直于该第一矩形条21的长 H3×宽W4为1.5mm×1.2mm的第三矩形条23组成，所述第二、第三矩形条(22、23)均连接于所述第一矩形条21之上，且所述第二矩形条22 距离所述第一矩形条21的第一端部211为W1＝0.5mm，所述第三矩形条 23与所述第二矩形条22的间距为W3＝1.0mm。第二矩形条与第三矩形条平行。

如图3所示，所述第二矩形条22的第一端和所述第三矩形条23的第一端连接于所述第一矩形条上，所述第二矩形条22的第二端为接地点，通过接地线(图中未示出)被连接至接地板，所述第三矩形条的第二端为馈电点。

如图3所示，所述辐射板2的第二部分由一根长H5×宽W3为1.8mm ×1.0mm的第四矩形条24，和一螺旋线25组成，该螺旋线25宽W3为 1.0mm，螺旋圈数为1.6圈，重叠部分内外圈的间隙W1为0.5mm，且其靠近中心的一端连接于所述第四矩形条的其中一端。所述第一矩形条的第二端部从外侧连接于所述螺旋线上。

IPEX转接线从蓝牙天线的背面的接地板部分连接至馈电点，进而连接至辐射板的天线，馈线通常使用50Ω标准阻抗，在设计天线时，需要尽可能地把天线的输入阻抗设计在50Ω，使其在工作频段内保证尽可能小的驻波比。

该天线的工作原理如下：通过把倒F天线的直线走向辐射臂改为e 型螺旋走向，使辐射臂的有效路径延长，而不增加天线的尺寸，同时保证了天线的小型化。通过调整天线的e型辐射臂和天线的高度以使天线的输入阻抗接近50Ω,即不需要任何额外的附加电路即可完成天线的阻抗匹配，同时可以提升天线的增益，达到天线远距离传输无线信号。

图4为天线输入阻抗仿真曲线图，图上标注的是蓝牙天线在2.40GHz (46.36+i*1.03)和2.48GHz(53.27-i*3.52)的输入阻抗。在2.40GHz及 2.48GHz点，re(Z(1,1))处于im(Z(1,1))的上面。

图5为天线仿真的回波损耗曲线图，从图中可以看出，天线工作在 2.44GHz的中心频率时，回波损耗S₁₁＝-31dB，-10dB带宽是230MHz，频率范围从2.32GHz到2.55GHz，相对带宽BW＝9.4％。实测带宽为220MHz，实测最大增益为4.6dB。当天线用于蓝牙模块无线信号通信时，天线的通信距离可达60余米，是同类型折叠天线传输距离的2倍。

螺旋天线增益	折叠天线实测传输距离	螺旋天线实测传输距离
			4.6dB	30m	60m

图6为本申请蓝牙天线的三维增益方向图。

根据技术解决方案中所描述的天线的结构与原理，使用HFSS进行建模仿真，仿真结果达标后，将该天线的仿真模型导出进行加工制作，介质板的材质为玻璃纤维环氧树脂，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1mm。天线与IPEX转接线焊接的时候要注意不要融化绝缘层，这样会使转接线内外导体相连，造成短路，影响天线的性能，另外焊接时，要将IPEX转接线的内导体(起传输信号的作用)与天线馈电点充分焊牢，才不至于影响天线的性能。

测试步骤:将2个螺旋天线分别通过IPEX转接线连接至2个无线模块的IPEX端座上，把无线接收模块连接到电脑串口上，不断的向远距离移动无线发送模块，直至电脑串口收不到无线信号数据为止即为螺旋天线的最远传输距离。在测试天线最远传输距离的过程中，要注意天线的方向性和天线放置的位置，调整无线模块连接的天线放置处于同一水平面状态，这样无线信号发送和接收的感应面是最大的，发送和接收到的电磁波信号强度也是最强的，无线传输的距离也就更远。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种蓝牙天线，其特征在于，包括：

介质板、接地板和辐射板，

所述辐射板包括呈倒F形的第一部分和呈e形的第二部分。

2.根据权利要求1所述的一种蓝牙天线，其特征在于：

所述辐射板的第一部分包括：第一矩形条、第二矩形条及第三矩形，

所述第二、第三矩形条分别连接于所述第一矩形条，

所述第二矩形条垂直于所述第一矩形条。

3.根据权利要求2所述的一种蓝牙天线，其特征在于：

所述第二矩形与第三矩形平行。

4.根据权利要求1所述的一种蓝牙天线，其特征在于：

所述辐射板的第二部分包括：长×宽为1.8mm×1.0mm的第四矩形条，和一螺旋线组成，所述螺旋线的宽为1.0mm。

5.根据权利要求4所述的一种蓝牙天线，其特征在于：

所述螺旋线的圈数介于1～3，重叠部分内外圈间的间隙为0.5mm，且其靠近中心的一端连接于所述第四矩形条的其中一端。

6.根据权利要求4所述的一种蓝牙天线，其特征在于：所述螺旋的圈数为1.6圈。

7.根据权利要求2所述的一种蓝牙天线，其特征在于：所述第一矩形条的第二端部从外侧连接于螺旋线上。

8.根据权利要求2所述的一种蓝牙天线，其特征在于：

所述第二矩形条的第一端和所述第三矩形条的第一端连接于所述第一矩形条上，所述第二矩形条的第二端为接地点，被连接至接地板，所述第三矩形条的第二端为馈电点。