低功耗藍牙之四大PCB板載天線設計方式

來源： RFsister創客射頻空間，作者：落葉蕭蕭，感謝作者的付出和成果

一直以來，無論是智能手機，還是筆記本電腦，亦或是平板電腦，藍牙都是智能設備的標配。隨著移動互聯網的發展，現在湧現出大量的智能可穿戴設備，而支撐這些應用的發展不僅需要移動軟體支持，同樣也需要無線感測技術的支持，藍牙依然是無線連接的首選通信方式。

藍牙技術，就是這中間最重要的一環。不僅要求通訊靈敏度，還需要小型化，更需要低功耗，更重要的是要低成本。

Bluetooth 4.0版本的出現，解決了這些問題，它包含Bluetooth Smart（低功耗）功能，具有以下特點：

1）能耗低

2）成本低

3）標準紐扣電池能讓設備運行數年

4）多供應商互操作性

5）增強射程

在硬體設計中，天線設計是比較有講究，常用的低成本設計方式是PCB板載天線設計方式，但PCB板載天線在實際中應該如何設計，才能達到很好的收發效果呢？以下有四種藍牙天線設計可供參考。

藍牙天線設計之倒F型天線

倒F型天線的天線體可以為線狀或者片狀，當使用介電常數較高的絕緣材料時還可以縮小藍牙天線尺寸。作為板載天線的一種，倒F型天線設計成本低但增加了一定體積，在實際應用中是最常見的一種。天線一般放置在PCB頂層，鋪地一般放在頂層並位於天線附近，但天線周圍務必不能放置地，周圍應是凈空區。如下圖：

圖1：倒F型天線設計示意圖

藍牙天線設計之曲流型天線設計

曲流型天線的長度比較難確定。長度一般比四分之一波長稍長，其長度由其幾何拓撲空間及敷地區決定。曲流型天線一般是PCB封裝，即板載天線。和倒F型一樣，天線一般放置在PCB頂層，鋪地一般放在頂層並位於天線附近，但天線周圍務必不能放置地，周圍應是凈空區。如圖2，圖3：

圖2：曲流型天線設計示意圖1

圖3：曲流型天線設計示意圖2

註：天線長度計算公式：

天線的長度（米）=（300/f）*0.25*0.96

其中f表示頻率（MHz），0.96為波長縮短率

藍牙天線長度約為 300/2.4G*0.25*0.96 大約為31mm

藍牙天線設計之陶瓷天線設計

陶瓷天線是另外一種適合於藍牙裝置使用的小型化天線。陶瓷天線的種類分為塊狀陶瓷天線和多層陶瓷天線。由於陶瓷本身介電常數較PCB電路板高，所以使用陶瓷天線能有效縮小天線尺寸，在介電損耗方面，陶瓷介質也比PCB電路板的介電損失小，所以非常適合低耗電率的的藍牙模塊中使用。在 PCB設計時，天線周圍要凈空就可以了，特別注意不能敷銅。如下圖：

圖4：陶瓷天線設計示意圖

藍牙天線設計之2.4G棒狀天線設計

2.4G棒狀藍牙天線體積大，但傳輸距離要強於其他天線。在PCB設計時，天線周圍也和上述的三種天線設計一樣要凈空。如下圖：

圖5：2.4G棒狀天線設計示意圖

關於藍牙天線設計的其它相關注意點：

1）天線的信號（頻率大於400MHz以上）容易受到衰減，因此天線與附近的地的距離至少要大於三倍的線寬。

2）對於微帶線與帶狀線來說，特徵阻抗與板層的厚度、線寬、過孔以及板材的介電常數相關。

3）過孔會產生寄生電感，高頻信號對此會產生非常大的衰減，所以走射頻線的時候盡量不要有過孔。

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