【经验】低功耗蓝牙之四大PCB板载天线设计方式

2017-07-31 世强 落叶萧萧

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


世强代理的瑞萨电子便推出有蓝牙BLE产品,其中RL78/G1D BLE SOC较受工程师青睐,其拥有RL78超低功耗内核,其发送电流4.3mA,接收电流仅3.5mA,低功耗使得电池寿命延长;此外,其内部集成了DC-DC、32.768kHz晶振以及Balun电路,因此在电路设计时无需外挂控制MCU,EEPROM及专用电路;也正因其高集成特性,外围器件少,从而节约BOM成本。由此可见RL78/G1D满足当代智能设备蓝牙无线连接所需。


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:


 

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:


图2:曲流型天线设计示意图1


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:


 

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:


 

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。


相关技术文档:

Renesas MCU RL78/G1D系列数据手册 详情>>>

Renesas RL78/G1D模式天线设计指南(R01AN3134EJ0101) 详情>>>


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