板载天线设计中的关键点及参考方案

在无线通信中天线性能严重影响产品的性能。在蓝牙应用中，板载天线是一种重要的天线形式，本文介绍一下板载天线设计中的关键点，并给出相应的参考方案。      

射频组成

BLE芯片的射频部分一般都由三部分组成：

•匹配网络——将芯片引脚出来的信号匹配到50欧姆，并滤除部分高频杂波

•传输线——连接匹配网络和天线，根据PCB的实际布局，可以省去

•天线——将电流信号转换成射频信号的关键部分，本文以PCB天线进行说明

PCB天线选择      

天线的本质，是将电流信号转化为电磁波的装置，包括导线天线、PCB天线、陶瓷天线等形式。

PCB天线因为不需要额外的BOM成本，以及优秀的性能，是许多射频设计中的最优选择。

推荐下面三种经典的PCB天线，用户可以根据自身线路板尺寸和性能要求进行选择。

1、蛇形线F天线

1）需要空间

天线空间：14.5mm*6mm

板厚：1.2mm

2）测试条件

3）增益：1.6db

4）带宽：150MHz

5）方向图

天线放置

XOY方向

YOZ方向

2、倒F天线

1）需要空间

天线空间27mm*7.5mm

板厚：1.2mm

2）测试条件

3）增益：2.4db

4）带宽：560MHz

5）方向图

天线摆放：

XOY方向图

YOZ方向图

3、蛇形倒F天线变种

1）需要空间

天线空间：11.5mm*7.5mm

板厚：1.2mm

2）测试条件

相对前两种天线，这种倒F天线需要背面的地突出一块（另外两种天线背面的地与正面是一致的），连接短路枝节的过孔。具体差别见第五部分铺地。

3）增益：1.6db

4）带宽：170MHz

5）方向图

天线放置：

XOY：

YOZ：

匹配网络

从射频引脚到传输线之间，要经过一段匹配网络，这段匹配网络的主体是一个π型滤波网络（C11，L1，C12）和一个隔直电容。

对于大部分设计来说，使用上图中推荐的器件参数，就可以获得良好的射频效果。

也要注意，由于PCB生产工艺、材质、布局等差异，每一款线路板都会呈现出与其他线路板不同的参数。

如果想获得最佳的射频效果，需要使用网络分析仪和仿真软件对匹配网络进行调试，这部分内容过于复杂，本文不予说明。

传输线   在匹配网络之间，根据线路板的具体情况，往往需要连接一段传输线，这段传输线需要进行50欧姆的阻抗匹配，这一段传输线的匹配程度对于射频整体效果至关重要。

传输线50欧姆阻抗的调节，主要受到三个参数的影响：

•传输线的宽度

•传输线与地平面（天线所在面）的间距

•传输线与参考地的距离（对于双层板来说，也就是线路板的板厚）

另外，也会受到铜皮厚度（默认使用1oz）、绿油厚度、线路板材质等参数差异的影响，但影响最大的还是上面的三个参数。

可以让PCB厂家针对某一段传输线进行阻抗匹配，也可以自己使用软件进行计算，得出合适的参数，推荐使用Txline或者Polar Si9000。

对于特定厚度的线路板，也可直接使用下图中的尺寸进行设计：

 

板厚（mm）	线宽（Mil）	与地距离（mil）
0.8	32	8
1	36	8
1.2	36	7
1.6	36	6

 

铺地

使用PCB天线时，线路板需要进行良好的铺地。

PCB天线所在层，以及选为参考地的层，要有良好的铺地，尤其是参考面的地。

在铺地上，需要注意的包括：

•在射频走线的下方，不要有其他的走线（对于多层板来说，这个要求不仅限于参考地层）。

•地层要尽量平整、连续，尤其是参考地层的地。

•PCB天线所在层与参考地层要多打过孔，在传输线和匹配网络的周围要连续而紧密地打过孔。

•PCB天线下方一定要严格净空，不可留有任何金属结构。

对于大部分PCB天线来说，天线层和参考地层的铺地形状完全一致，但是上面介绍的第三种天线，由于短路枝节接地的需要，参考层的地平面需要比天线层多出一块，如下面两图所示：

天线面：

参考面：

如果产品中使用的是蓝牙模块，模块在母板贴装时，对母板也有相应的技术要求。使用桃芯蓝牙的伙伴，如有需要，可以免费申请相关的参考设计以及相关的技术咨询。

编辑：黄飞