低功耗蓝牙之四大PCB板载天线设计方式

周一, 28 五月 2018 - 11:23

一直以来，无论是智能手机，还是笔记本电脑，亦或是平板电脑，蓝牙都是智能设备的标配。随着移动互联网的发展，现在涌现出大量的智能可穿戴设备，而支撑这些应用的发展不仅需要移动软件支持，同样也需要无线传感技术的支持，蓝牙依然是无线连接的首选通信方式。

蓝牙技术，就是这中间最重要的一环。不仅要求通讯灵敏度，还需要小型化，更需要低功耗，更重要的是要低成本。

Bluetooth 4.0版本的出现，解决了这些问题，它包含Bluetooth Smart（低功耗）功能，具有以下特点：

1）能耗低

2）成本低

3）标准纽扣电池能让设备运行数年

4）多供应商互操作性

5）增强射程

在硬件设计中，天线设计是比较有讲究，常用的低成本设计方式是PCB板载天线设计方式，但PCB板载天线在实际中应该如何设计，才能达到很好的收发效果呢？以下有四种蓝牙天线设计可供参考：

蓝牙天线设计之倒F型天线：

倒F型天线的天线体可以为线状或者片状，当使用介电常数较高的绝缘材料时还可以缩小蓝牙天线尺寸。作为板载天线的一种，倒F型天线设计成本低但增加了一定体积，在实际应用中是最常见的一种。天线一般放置在PCB顶层，铺地一般放在顶层并位于天线附近，但天线周围务必不能放置地，周围应是净空区。如下图：
<img alt="图1：倒F型天线设计示意图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ebb57712-8cb8-45e5-9f48-29d87e69ffe1" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E5%80%92F%E5%9E%8B%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E7%A4%BA%E6%84%8F%E5%9B%BE.png" />
图1：倒F型天线设计示意图

蓝牙天线设计之曲流型天线设计：

曲流型天线的长度比较难确定。长度一般比四分之一波长稍长，其长度由其几何拓扑空间及敷地区决定。曲流型天线一般是PCB封装，即板载天线。和倒F型一样，天线一般放置在PCB顶层，铺地一般放在顶层并位于天线附近，但天线周围务必不能放置地，周围应是净空区。如图2，图3：
<img alt="图2：曲流型天线设计示意图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="6e3c3bf9-ab50-4dc1-9cfc-31520957d09e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%E6%9B%B2%E6%B5%81%E5%9E%8B%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E7%A4%BA%E6%84%8F%E5%9B%BE.png" />
图2：曲流型天线设计示意图1
<img alt="图3：曲流型天线设计示意图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5624298a-75c5-4241-b9cb-ca156231a7db" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9A%E6%9B%B2%E6%B5%81%E5%9E%8B%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E7%A4%BA%E6%84%8F%E5%9B%BE.png" />
图3：曲流型天线设计示意图2

注：天线长度计算公式：

天线的长度（米）=（300/f）*0.25*0.96

其中f表示频率（MHz），0.96为波长缩短率

蓝牙天线长度约为 300/2.4G*0.25*0.96 大约为31mm

蓝牙天线设计之陶瓷天线设计：

陶瓷天线是另外一种适合于蓝牙装置使用的小型化天线。陶瓷天线的种类分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。由于陶瓷本身介电常数较PCB电路板高，所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸，在介电损耗方面，陶瓷介质也比PCB电路板的介电损失小，所以非常适合低耗电率的的蓝牙模块中使用。在 PCB设计时，天线周围要净空就可以了，特别注意不能敷铜。如下图：
<img alt="图4：陶瓷天线设计示意图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ece2b55f-a4d9-4fa4-b506-34f55241c9ea" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4%EF%BC%9A%E9%99%B6%E7%93%B7%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E7%A4%BA%E6%84%8F%E5%9B%BE.png" />
图4：陶瓷天线设计示意图

蓝牙天线设计之2.4G棒状天线设计：

2.4G棒状蓝牙天线体积大，但传输距离要强于其他天线。在PCB设计时，天线周围也和上述的三种天线设计一样要净空。如下图：
<img alt="图5：2.4G棒状天线设计示意图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="db8669ca-7852-4938-9ce0-94b45b3293bf" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5%EF%BC%9A2.4G%E6%A3%92%E7%8A%B6%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E7%A4%BA%E6%84%8F%E5%9B%BE.png" />
 
图5：2.4G棒状天线设计示意图

关于蓝牙天线设计的其它相关注意点：

1）天线的信号（频率大于400MHz以上）容易受到衰减，因此天线与附近的地的距离至少要大于三倍的线宽。

2）对于微带线与带状线来说，特征阻抗与板层的厚度、线宽、过孔以及板材的介电常数相关。

3）过孔会产生寄生电感，高频信号对此会产生非常大的衰减，所以走射频线的时候尽量不要有过孔。

文章来源：世强