如何改善蓝牙电路板的PCB设计

蓝牙电路板设计指南

如果不采取某些预防措施，采用蓝牙技术的印刷电路板可能会出现干扰，数据丢失和信号完整性差的问题。我们将概述为特定应用选择蓝牙技术时，尤其是将其设计到电路板中时要考虑的许多规则和准则。

各种应用利用蓝牙，包括：

l 大型购物中心使用的信标

l 用于工业传感应用的涡流框架

l 耳机和音频/立体声产品

l 远程外围设备，例如视频游戏控制器或计算机鼠标/键盘

l 家庭自动化系统

l 无线消费电子应用，包括相机，打印机和电话

每个应用程序都采用相同的通用蓝牙技术，但是使用方式不同，并且取决于连接类型，设计工程师需要结合基本原理来优化信号完整性和整体设备效率。

与Wi-Fi相比，蓝牙不是一个非常快速的无线选择，但是它变得越来越快。它也不能很好地穿透墙壁和其他附近的障碍物，并且射程很差。

尽管仍在进行中，但它仍然是一个不错的选择（5.0是最新更新，相对于4.2是不错的改进）。在大多数情况下，它是一种功耗较低，可靠，安全，得到广泛支持的选件，可以轻松地在各种小型外围设备上实施。

蓝牙技术已有20多年的历史，并且仍在不断发展，尽管这些年来蓝牙技术在速度，功率，范围，安全性和其他属性方面都有所提高，但自90年代中期概念问世以来，它似乎仍然存在一些相同的问题，包括其对信号干扰的敏感性。

那么，从PCB设计的角度来看，可以采取什么措施来优化信号完整性，最大程度地减少干扰和丢失数据包？

以下是一些蓝牙电路设计注意事项和一般经验法则：

使用认证的模块

1.如果要将Bluetooth集成到产品中并且资源有限，请考虑使用经过预先认证的，完全包含的模块，以帮助加快开发速度和上市时间。最终可能会增加一点成本，但通常可以避免天线放置/设计和EMI敏感性引起的一些麻烦。

当今市场上有几种价格合理的经过认证的模块，大多数模块都集成了小型ARM处理器，例如Microchip的RN4020或RN4870或Silicon Labs的BT121或BGM113。将处理器安装在板上可以使其具有更大的灵活性和功能，例如，除了其蓝牙堆栈外，还可以通过GPIO，SPI，I2C，PWM等控制简单的外围设备。

检查您的蓝牙设备选择

2.确保您为该应用程序选择了合适的蓝牙设备，并且天线的尺寸和调整也适当。

如果您要使用一个简单的信标应用程序，而该应用程序只需要短时间突发/间隔来通告位置或数据，则可以使用低功耗（蓝牙低功耗或BLE），具有最小功能和外围设备的高性价比解决方案以节省机载房地产和最终成本。

如果您正在寻找更高吞吐量，音频流或数据交换蓝牙应用程序的更多产品，那么您可能需要具有更高发射功率，更高接收灵敏度和更快数据速率的产品（尽管会降低数据传输速度）速率通常有助于最大程度地减少丢包）。

如果您正在寻找一种多合一芯片，请考虑使用包含功能强大或辅助处理器的芯片组，这些处理器包括可用的UART，SPI，I2C，PWM，ADC，DAC和GPIO引脚。

如果您要处理的内容严重依赖RSSI读数，请确保其RSSI监视器具有足够的dB分辨率。

分离或去除铜信号和高能成分

3.在蓝牙芯片组或模块中进行设计时，请使天线区域完全远离附近的铜信号或承载大量能量的组件（尤其是经过升压或降压转换器切换的电源路径）。

这还包括使区域（和板层）没有平面和多边形倾倒。大多数蓝牙芯片组制造商将提供在PCB设计期间应严格遵循的布局指南。如果您要手动布置天线区域，请适当使用接地平面，以在输入端保持良好的带宽，并确保为调谐元件留出足够的空间（印刷和陶瓷天线需要接地平面）。

使用接地线迹过孔来防止PCB边缘不必要的辐射，因为它可能会穿透附近的Bluetooth信号。如果可以，请尝试针对蓝牙设备及其天线所在位置优化板的形状，将其放在边缘并远离附近的组件和信号。如果使用音频等基于模拟的信号，请确保模拟和数字接地层分开。

屏蔽电子器件（当然不是天线）始终是一个好主意，以防止交叉耦合并使噪声最小化。

电源注意事项

4.确保为Bluetooth模块或芯片供电的导轨干净，并在需要时使用旁路（1.0 uF）和去耦电容器（0.1uF和10nF）。还可以在电源轨上使用铁氧体磁珠进入电路板的蓝牙区域，以抑制高频噪声。

工具与分析

5.如果要设计天线区域，请确保您具有合适的设备（例如网络分析仪）来分析和调整匹配的网络，或者考虑将设计发送给第三方RF测试实验室。

考虑现实世界的障碍

6.在蓝牙连接过程中，会导致阻塞或失谐的因素有很多种，包括附近的水（人类也是……我们主要是水），金属化物体，智能手机/平板电脑，计算机，操作设备在同一ISM频段上，例如微波炉或WLAN技术，电源，无线RF视频，办公照明和家用电话。

即使在近距离（1-2米）配对时，它也极易受到信号丢失的影响。如果此类情况影响信号质量的风险更高，请选择功率更高的设备并以较低的速度运行，以最大程度地减少数据包丢失。或者，如果电子设备位于外壳内部，请确保金属化材料最小化，并且远离BLE模块。蓝牙信号强度和距离之间的关系不是线性关系。实际上，它是非常非线性的，根据周围环境有些不可预测，但确实遵循一般模式（如下所示）。

无论您是设计小型，简单的Beacon模块，还是设计数据流，耗电的蓝牙集线器，遵循这些注意事项都可以在设计的测试/实施阶段为您省去很多麻烦。

随着蓝牙PCB组件的扩展，现在是将无线通信和控制整合到产品中的激动人心的时刻，而未来只会带来更小，更快，更便宜和更强大的蓝牙组件。