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用于PCB天线设计的蓝牙驱动现代无线通信

发布日期
作者Cadence PCB解决方案

关键的外卖

  • 蓝牙的设计参数影响天线的形态。

  • 不同天线硬件实现的优缺点。

  • 回顾一些最有用的微带天线。

用于PCB天线的蓝牙设计

早期用于PCB天线的蓝牙可以在启用的USB加密狗中找到

物联网(IoT)领域蓬勃发展，但已经非常广泛，它正在以十年前不可能的方式吸引消费者和制造商。随着技术进一步融入日常生活，对为物联网而建(而不是由物联网利用)的基础设施的需求继续增长。在大多数情况下，蓝牙或其设计分支提供了功能和电源效率的完美组合，以支持这个不断增长的网络。

然而，通信协议只是等式的一半。射频工程师负责实现无线通信的天线的硬件设计。设计天线在一个复杂设备的约束下，它已经在应付一大堆约束，这不是一个简单的任务;合并PCB蓝牙天线设计是性能、安全性和尺寸之间的微妙平衡。

蓝牙对PCB天线设计的要求

电磁信号在高速运行时表现得有些古怪。设计和制造中的微小缺陷可能导致过多的电磁干扰，从而搁置电路板进行进一步修订。相反，这些特性中的许多可以被利用为收发器，允许无需直接接触的无线通信。

天线理论赋予射频工程师的框架以各种格式、形状和配置构建这些收发器，以最大限度地提高空间效率和信号完整性。在不同的协议中，蓝牙填补了在低带宽条件下运行的设备的近距离技术的利基。作为蓝牙4.0的一部分，蓝牙低功耗(BLE)的发布以及蓝牙5的改进一直是物联网架构的主要驱动力。

PCB天线的设计将不得不在生产过程中与许多相互冲突的因素作斗争，最重要的是为蓝牙收发器提供~2.45 GHz的中心频率。具体来说，蓝牙工作在2.4到2.4835 GHz的范围内;以避免与流行的、未授权的2.4-2.4835 GHz频段的其他无线协议发生冲突。蓝牙在80个1兆赫兹频道之间每秒切换1600次。首先计算波长λ (lambda)，其中c是真空中的光速，f是中心频率:

波长/频率关系到光速的转换

光的波长和频率是负相关的，因为受到光速的限制

目标波长约为122.4 mm，其中半波长和四分之一波长分别为61.2 mm和30.6 mm。由于各种优化原因，这些值经常出现在不同的PCB天线设计配置中。这些测量对许多电路板来说并不过分，但考虑到蓝牙如何在已经密集封装的小型电子设备上发挥作用:整个波长将几乎与手机本身一样长，而且这还是在任何其他考虑因素(如馈电或地平面问题)出现之前。

天线硬件实现比较

根据实现的特定需求，有各种各样的天线可用。在天线类型之上，支持蓝牙的天线存在于三个类别中:

  • 微带-最流行的天线样式使用与迹线相同的制造步骤，但由于高速信号行为的变化，可能需要额外的处理。微带天线允许多种设计选项，并且作为标准减法铜蚀刻的扩展，具有所有列出选项中最低的轮廓，具有高度的可扩展性。最早的微带天线是贴片天线(一个平面多边形)，它可以在不改变单个天线的形状和目标频率等许多东西的情况下组装成阵列来提高某些天线的质量。
  • 金属板-金属板就像打印天线和组件之间的中点。与微带类似，可以形成多种形状，但这些形状是由制造商提供的，而不是在制造过程中设计的。作为SMT组件，布局有额外的设计选项，尽管必须保持天线下方的遮挡/间隙区域，以防止信号完整性问题。尽管它的混合性质，金属板天线具有最好的效率为相同的天线类型，尽管有相应的更大的功率消耗。
  • 芯片,芯片天线是设计上最不灵活的天线，但由于其中心的高介电常数陶瓷可以集中电场，所以它被封装在一个非常高效的形状因子中。芯片放置，以及其他一些天线，将在没有地面或金属的情况下工作。芯片天线的最佳位置是超出接地平面的范围(给定适当的间隙)。在飞机边缘/角落的切口是可行的，但将芯片天线放置在地面上或没有边缘的切口不太可能按预期运行。

地平面覆盖和周围金属的问题也会影响微带和金属板的样式。通常情况下，平衡天线被放置或布线离地-为了获得最佳性能，建议在天线下面没有金属或接地平面，只要共模电流在输入时被过滤。粗略估计，地面布置会导致接近2分贝的损失。然而，一些天线，如垂直和末端馈电品种，需要地面执行预期。这取决于工程师最大化天线功能，并为布局设计师提供堆叠和路由指令的指导。

微带天线的流行样式

天线的形状遵循功能;调整天线特性的设计和细微变化的数量确实是压倒性的。两种最适合微带生产的基本模型如下:

  • 贴片天线-如前所述，贴片天线是微带天线的基础。简单的形状结合微带传输线被直接蚀刻到板上，提供了一个低调的天线，与背景地平面保持适当的距离，以优化性能和效率。对于矩形天线，垂直于传输线的天线边缘占了阻抗:扩大这些边缘会降低阻抗，反之亦然。

  • 平面倒F天线(PIFA) -PIFA用半波长贴片天线的一些性能换取了四分之一波长的封装，这对于像手机这样的紧凑设计尤其可取。天线的设计还可以从地平面向外全方位辐射，这在手机中确保人体组织的能量吸收保持在可接受的范围内。

微带天线设计还包括变体，如L微带和弓形天线，作为射频解决方案的入口点。通过改变物理尺寸、增加短接针/板等方式来修改任何天线，都会导致性能的变化，即使是看起来很小的变化。

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用于PCB天线的蓝牙设计不仅需要漫长的设计阶段，而且没有必要的测试以确保其按预期运行，以及任何调整以满足其预期设置，天线是不完整的。射频工程师不仅需要确认天线的操作，还需要确保设备本身符合EMI/EMC标准;验证辐射在可接受的范围内是昂贵的，如果设备在第一次尝试时无法通过合规测试，更是如此。为了避免昂贵的延误，Cadence的软件包PCB设计和分析软件提供构建和模拟天线特性的工具，确保设计保持在内部轨道上获得批准。Cadence生态系统的产品，然后无缝集成OrCAD PCB Designer，为用户提供行业领先的PCB布局设计环境。

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