【经验】低功耗蓝牙之四大PCB板载天线设计方式

时间： 2017-07-31 来源：世强作者：落叶萧萧

技术问答

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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全部评论（294）

Tenter Lv4 资深工程师 2018-01-28

RL78有蓝牙组网协议吗？有谁知道吗低功耗蓝牙的传输速率比起普通蓝牙差多少 RL78是汽车车载级别的吗内含蓝牙组网协议吗？
- Grace_世强回复：瑞萨推出的新款RL78/G1D，支持蓝牙功能规范（单模式）。2.4 GHz ISM频段，GFSK调制，TDMA／TDD跳频（包括AES加密电路。）适应性（只有从操作）符合Bluetooth Smart标准。支持蓝牙4.1 ，工业级。数据手册链接如下：https://www.sekorm.com/doc/99263.html
  查看全部2条回复
用户50458201 Lv4. 资深工程师 2019-03-27

学习了
WallE Lv7. 资深专家 2019-01-23

资料很好硬货
肉松蛋卷 Lv7. 资深专家 2019-01-22

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用户98089869 Lv5. 技术专家 2019-01-22

好东西

Locust Lv7. 资深专家 2019-01-21

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嘟嘟星魂 Lv8. 研究员 2019-01-21

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青色的风 Lv4. 资深工程师 2019-01-20

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用户49108147 Lv4. 资深工程师 2019-01-19

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秦天 Lv7. 资深专家 2019-01-17

太实用了，非常好

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