藍牙天線的對比及其設計要點總結

在藍牙產(chǎn)品的設計中，天線模塊的重要性幾乎占據(jù)了半壁江山，除了一個用于承載通信的協(xié)議棧內核外，天線就是最重要的，最能夠影響藍牙傳輸性能的電磁波組件了。

在設計天線時，我們有以下幾個要注意的點：

天線的信號很容易衰減，頻率大于400MHz以上時，衰減就會變得明顯，因此天線與附近的地平面的距離至少大于三倍的線寬。對于微帶線與帶狀線來說，特征阻抗和板層的厚度，線寬，過孔以及板材的介電常數(shù)相關，所以印制板制版上需要特殊的要求。過孔會產(chǎn)生寄生電感，過孔會使得高頻信號產(chǎn)生非常大的衰減，所有射頻走線的時候一定不能有過孔，也就是射頻走線不能跨層。

下面我們對比一下常見的四種藍牙天線

一、陶瓷天線

陶瓷天線是一種適合于藍牙裝置使用的小型化天線。陶瓷天線又分為塊狀陶瓷天線和多層陶瓷天線。塊狀天線是使用高溫將整塊陶瓷體一次燒結完成后再將天線的金屬部分印在陶瓷塊的表面上。而多層天線燒制采用低溫共燒的方式將多層陶瓷迭壓對位后再以高溫燒結，所以天線的金屬導體可以根據(jù)設計需要印在每一層陶瓷介質層上，如此一來可以有效縮小天線尺寸，并能達到隱藏天線目的。由于陶瓷本身介電常數(shù)比pcb電路板的要高，所以使用陶瓷天線能有效縮小天線尺寸。

二、PCB天線

?PCB天線 （倒F型、L型天線）是指無線接收和發(fā)射用的PCB上的部分。

優(yōu)點是：空間占用少，成本低，不需要單獨組裝天線，不易觸碰損壞，整機組裝方便。缺點是：單個天線場型很難做到圓整，插損高，效率相對較低，容易受到主板上的干擾。對于PCB板載天線，不需要單獨組裝天線，一次調完就無需再次調試，不易觸碰損壞且組裝方便。

三、PFC天線

PFC天線通常使用同軸線纜和PCB上的IPEX接口相連，被廣泛應用于無線局域網(wǎng)（WLAN）相關產(chǎn)品單板上。它的優(yōu)點是：場型能控制更好，插損低，信號的方向指向性好，效率高，抗干擾能力強，能遠離主板上的干擾，而且不用過多的進行調試匹配，作為終端廠家，只需要外面接一個IPEX的天線即可；缺點就是：成本高，組裝麻煩。IPEX接口外接天線，信號的方向指向性好，效率高，傳輸距離遠，抗干擾能力強，而且不用過多的進行調試匹配，作為終端廠家，只需要外面接一個IPEX的天線即可。

四、棒狀天線

棒狀天線，也稱為鞭狀天線（又稱直線天線）是一種水平多道極性的無線通信天線，由一根長桿桿體、一根短棒棒體或一根電纜組成，并在頻率范圍內具有最佳的功率傳輸特性。簡單說，他就是對天線的一個特殊封裝。棒狀天線具有較高增益，相對于貼片天線，棒狀天線的設計使其具有更高的增益，能夠提供更遠的傳輸距離和更好的信號強度。另外，棒狀天線的抗干擾能力強，由于其較長的物理長度，棒狀天線對于周圍環(huán)境的物體和電磁干擾具有一定的抗干擾能力。局限性就是尺寸非常大，成本相對也比較高。

關于設計：

一、 匹配電路設計

在原理圖設計時，需要在天線與模塊射頻輸出管腳預留一個π型網(wǎng)絡。天線的阻抗受PCB的鋪地、天線的安裝以及周圍的金屬等因素影響，預留這個網(wǎng)絡是為了在天線嚴重偏離50 歐姆阻抗時，將其匹配至 50 歐姆。

L，C1，C2 都是電抗元件，如果天線是標準的 50 歐姆阻抗，那么 C1，C2可以不焊接，L 接 220PF電容或者 0 歐姆電阻。在 PCB設計時，這三個器件已經(jīng)盡量靠近模塊的射頻輸出腳，并且連接的傳輸線短且直。匹配元件的周圍 1.5mm區(qū)域內不要鋪地，以減少寄生參數(shù)對匹配電路的影響。

二、微帶設計

在 PCB設計時，由于大部分的天線與模塊的輸出阻抗是 50 歐姆，為了盡量減少在傳輸過程中能量的反射，射頻輸出管腳到天線之間的 PCB引線應為 50 歐姆的微帶線。常用的板材為 FR4（介電常數(shù) 4.2-4.6 ），根據(jù)經(jīng)驗，當線寬約為微帶線距離參考層距離的 2.2 倍時，微帶線的特征阻抗約為 50 歐姆。具體設計時 ,建議使用微帶線阻抗控制工具（ ADS、txline等）來計算, 并通過實際調試來完成微帶線的設計。如下圖所示，微帶線下面的鋪地層必須是完整的地，在微帶線兩側需要多打接地過孔。

三、金屬對天線的影響

如果天線附近有金屬材料的物體時， 金屬能反射電磁波， 不但會影響天線的實際使用空間，增加天線的損耗電阻，降低輻射效率，而且導致天線輻射性能的惡化。在安裝天線時要注意：

a：天線距離電池至少要有 5mm；

b：天線距離屏蔽殼至少要有 4mm；

c：在需要安裝外殼的場合，不要在外殼表面使用具有金屬成分的噴漆或者鍍層。?

四、 藍牙天線設計

針對板級的藍牙貼片天線，具體的PCB走線要求：走線直接從焊盤引腳出，走線建議在模塊同一平面（假設是TOP），走線寬度15mil,兩邊離地間距15mil,走線部分要求短，同時需要BOTTOM面有地參考；建議選用的藍牙天線：微小型陶瓷天線，倒F型天線， 棒狀天線等 。如果空間允許，盡量不要選擇大尺寸的天線 ；藍牙天線擺放位置最好在邊角處，三面留空，如果是選用貼片天線，要有至少 2mm 的凈空區(qū)域，凈空區(qū)域應遠離地面或者其它金屬部件 ；

天線與附近物體之間應該留有凈空區(qū)，否則匹配調節(jié)將會變困難 ，輻射模式會受到嚴重扭曲 ；

天線的下方不應接觸金屬，地面、接地層 ；

天線應遠離金屬物體放置，比如電池、芯片等金屬物有重疊。注意內部纜線 （如電池電源線）不能太靠近天線部位；單極天線需要有合理的接地面才能發(fā)揮最好效。

天線周圍不能有金屬外殼或帶金屬的塑料存在或包裹。不要使用很細的天線饋電線，定寬度限制不能小于 0.1mm。

使用藍牙模塊時的擺放位置

模塊在應設計在主板的邊緣，且至少保證三面沒有地，如果設置在邊緣的中間地帶，最好將主板挖空，讓模組的天線探出頭來。

如果把模組設計在主板中央，那么主板上的地平面和各種元器件將包裹整個天線，射頻信號無法輻射出來。

縱向上來看，天線應該距離金屬部件一定距離，對于模組，我們應該讓天線那一端原離金屬部件，無論是側面還是正面或者底部。