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,現在涌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件支持,同樣也需要無線傳感技術的支持,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
在硬件設計中,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,鋪地一般放在頂層并位于天線附近,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,鋪地一般放在頂層并位于天線附近,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
注: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于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。由于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,但傳輸距離要強于其他天線。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
關于藍牙天線設計的其它相關注意點:
1)天線的信號(頻率大于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于三倍的線寬。
2)對于微帶線與帶狀線來說,特征阻抗與板層的厚度、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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原文標題:低功耗藍牙之四大PCB板載天線設計方式 | 技術專欄
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