蓝牙天线比较及设计要点概述

电子资讯|Electronic information|

2024-08-26 15:59:51 609

在设计天线时，我们有以下几个要注意的点：

天线的信号很容易衰减，频率大于400MHz以上时，衰减就会变得明显，因此天线与附近的地平面的距离至少大于三倍的线宽。
对于微带线与带状线来说，特征阻抗和板层的厚度，线宽，过孔以及板材的介电常数相关，所以印制板制版上需要特殊的要求。
过孔会产生寄生电感，过孔会使得高频信号产生非常大的衰减，所有射频走线的时候一定不能有过孔，也就是射频走线不能跨层。

下面我们对比一下常见的四种蓝牙天线。

一、陶瓷天线

陶瓷天线是一种适合于蓝牙装置使用的小型化天线。

陶瓷天线又分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。

块状天线是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上。

而多层天线烧制采用低温共烧的方式将多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结，所以天线的金属导体可以根据设计需要印在每一层陶瓷介质层上，如此一来可以有效缩小天线尺寸，并能达到隐藏天线目的。

由于陶瓷本身介电常数比pcb电路板的要高，所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸。

二、PCB天线

?PCB天线（倒F型、L型天线）是指无线接收和发射用的PCB上的部分。

优点是：空间占用少，成本低，不需要单独组装天线，不易触碰损坏，整机组装方便。

缺点是：单个天线场型很难做到圆整，插损高，效率相对较低，容易受到主板上的干扰。

对于PCB板载天线，不需要单独组装天线，一次调完就无需再次调试，不易触碰损坏且组装方便。

三、PFC天线

PFC天线通常使用同轴线缆和PCB上的IPEX接口相连，被广泛应用于无线局域网（WLAN）相关产品单板上。

它的优点是：场型能控制更好，插损低，信号的方向指向性好，效率高，抗干扰能力强，能远离主板上的干扰，而且不用过多的进行调试匹配，作为终端厂家，只需要外面接一个IPEX的天线即可；缺点就是：成本高，组装麻烦。

IPEX接口外接天线，信号的方向指向性好，效率高，传输距离远，抗干扰能力强，而且不用过多的进行调试匹配，作为终端厂家，只需要外面接一个IPEX的天线即可。

四、棒状天线

棒状天线，也称为鞭状天线（又称直线天线）是一种水平多道极性的无线通信天线，由一根长杆杆体、一根短棒棒体或一根电缆组成，并在频率范围内具有最佳的功率传输特性。简单说，他就是对天线的一个特殊封装。

棒状天线具有较高增益，相对于贴片天线，棒状天线的设计使其具有更高的增益，能够提供更远的传输距离和更好的信号强度。

另外，棒状天线的抗干扰能力强，由于其较长的物理长度，棒状天线对于周围环境的物体和电磁干扰具有一定的抗干扰能力。

局限性就是尺寸非常大，成本相对也比较高。

关于设计：

一、匹配电路设计

在原理图设计时，需要在天线与模块射频输出管脚预留一个π型网络。天线的阻抗受PCB的铺地、天线的安装以及周围的金属等因素影响，预留这个网络是为了在天线严重偏离50 欧姆阻抗时，将其匹配至 50 欧姆。

L，C1，C2 都是电抗元件，如果天线是标准的 50 欧姆阻抗，那么 C1，C2可以不焊接，L 接 220PF电容或者 0 欧姆电阻。

在 PCB设计时，这三个器件已经尽量靠近模块的射频输出脚，并且连接的传输线短且直。匹配元件的周围 1.5mm区域内不要铺地，以减少寄生参数对匹配电路的影响。

二、微带设计

在 PCB设计时，由于大部分的天线与模块的输出阻抗是 50 欧姆，为了尽量减少在传输过程中能量的反射，射频输出管脚到天线之间的 PCB引线应为 50 欧姆的微带线。

常用的板材为 FR4（介电常数 4.2-4.6 ），根据经验，当线宽约为微带线距离参考层距离的 2.2 倍时，微带线的特征阻抗约为 50 欧姆。具体设计时 ,建议使用微带线阻抗控制工具（ ADS、txline等）来计算, 并通过实际调试来完成微带线的设计。

如下图所示，微带线下面的铺地层必须是完整的地，在微带线两侧需要多打接地过孔。

三、金属对天线的影响

如果天线附近有金属材料的物体时，金属能反射电磁波，不但会影响天线的实际使用空间，增加天线的损耗电阻，降低辐射效率，而且导致天线辐射性能的恶化。在安装天线时要注意：
a：天线距离电池至少要有 5mm；
b：天线距离屏蔽壳至少要有 4mm；
c：在需要安装外壳的场合，不要在外壳表面使用具有金属成分的喷漆或者镀层。

四、蓝牙天线设计

针对板级的蓝牙贴片天线，具体的PCB走线要求：走线直接从焊盘引脚出，走线建议在模块同一平面（假设是TOP），走线宽度15mil,两边离地间距15mil,走线部分要求短，同时需要BOTTOM面有地参考；
建议选用的蓝牙天线：微小型陶瓷天线，倒F型天线，棒状天线等。如果空间允许，尽量不要选择大尺寸的天线；
蓝牙天线摆放位置最好在边角处，三面留空，如果是选用贴片天线，要有至少 2mm 的净空区域，净空区域应远离地面或者其它金属部件；