小型藍(lán)牙設(shè)備的天線設(shè)計(jì)

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本文將幫助制造商利用藍(lán)牙SiP模塊和更好的天線設(shè)計(jì)來打造更小的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。文章介紹了小型藍(lán)牙設(shè)備天線設(shè)計(jì)的典型挑戰(zhàn)，以及集成天線的SiP模塊如何幫助制造商減小設(shè)備尺寸、縮短開發(fā)時(shí)間和降低成本。最后，本文介紹了天線設(shè)計(jì)的三項(xiàng)專家級(jí)規(guī)則，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)示例的仿真圖解，幫助你盡可能從藍(lán)牙SiP模塊中獲得最佳的射頻效率，并在不影響無線性能的情況下，最大限度地縮小物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸。遵循這些準(zhǔn)則將幫助你設(shè)計(jì)出具有可靠藍(lán)牙連接的小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，滿足消費(fèi)者需求并增加收入。

設(shè)計(jì)小型藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

對(duì)于許多藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備（例如醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備）來說，尺寸至關(guān)重要。消費(fèi)者更喜歡購(gòu)買尺寸小、設(shè)計(jì)時(shí)尚的產(chǎn)品。另一方面，鑒于一些醫(yī)療和健康應(yīng)用的性質(zhì)，許多設(shè)備只能以極小的外形尺寸發(fā)揮作用，這就迫使設(shè)計(jì)人員在最小化設(shè)備尺寸時(shí)要去挑戰(zhàn)極限。

尺寸是許多制造商選擇藍(lán)牙系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）模塊而不是片上系統(tǒng)（SoC）的原因。SiP模塊在幾毫米的微小尺寸中集成了20多個(gè)關(guān)鍵組件，例如去耦電容、DCDC組件、晶體、射頻匹配和諧波濾波，使設(shè)備制造商能夠從根本上縮小其印制電路板（PCB）的尺寸。此外，SiP模塊通過了全球各地的射頻認(rèn)證，可大幅縮短開發(fā)時(shí)間。

天線和無線電接口

電源和去耦

芯科科技BGM240S藍(lán)牙SiP模塊在僅僅7毫米 x 7毫米的面積上集成了20多個(gè)關(guān)鍵組件，若非如此，這些組件都必須安裝在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的PCB上。上圖顯示了這些組件的參考設(shè)計(jì)，闡明為設(shè)備制造商大幅節(jié)省了PCB占用面積、設(shè)計(jì)工作量和物料清單（BoM）成本。

然而，如果您想打造一款具有可靠無線性能的小型藍(lán)牙設(shè)備，僅在PCB上安裝藍(lán)牙SiP模塊是不夠的，還需要仔細(xì)地進(jìn)行天線設(shè)計(jì)。

高效的無線性能是無數(shù)相互依賴的物理、電磁和機(jī)械變量的組合，即使是最微小的細(xì)節(jié)和變化也會(huì)對(duì)彼此產(chǎn)生影響。作為設(shè)計(jì)人員，如果沒有為天線預(yù)留足夠空間并遵循凈空要求，就無法縮小設(shè)備尺寸。設(shè)計(jì)人員還必須要仔細(xì)選擇材料，考慮它們的電磁特性會(huì)如何影響無線電信號(hào)。此外，設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)必須根據(jù)無線電傳播理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，你通常只能利用有限的時(shí)間開發(fā)產(chǎn)品，而且成本支出不能過于高昂。

總之，小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線設(shè)計(jì)深具挑戰(zhàn)性。一方面，你要滿足消費(fèi)者對(duì)更小尺寸、更時(shí)尚設(shè)計(jì)和更便宜價(jià)格的需求，以大幅提高銷量。另一方面，你不能違反物理和電磁學(xué)定律，將次優(yōu)的天線設(shè)計(jì)塞進(jìn)過于狹小的產(chǎn)品外殼中。

天線類型及性能影響因素

PCB天線

PCB板載天線（例如倒F天線），因其較低的BOM成本而在物聯(lián)網(wǎng)中備受歡迎。然而，PCB天線需要大量空間，通常需要25毫米 x 15毫米的范圍，最終導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得巨大。

芯片天線

芯片天線簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了更小的產(chǎn)品尺寸。通常，實(shí)際的輻射器不是芯片天線本身，而是接地層。因此，芯片天線的效率很大程度上受到安裝天線的PCB尺寸和形狀的影響。不同的芯片天線被設(shè)計(jì)用于不同的安裝條件。一種天線可能在PCB的角落處可以提供最佳效率，而另一種天線則是在PCB的邊緣處效果最佳。非常重要的是，在使用芯片天線進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵循制造商的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并且要為每種設(shè)備和安裝場(chǎng)景選擇最佳的天線類型。

天線長(zhǎng)度

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越小，天線設(shè)計(jì)人員必須要做出的妥協(xié)就越多。從理論上講，允許天線所使用的面積越小，射頻性能的效率就越低。

邊長(zhǎng)小于10毫米的器件和手機(jī)之間的藍(lán)牙傳輸距離大約為10米，這對(duì)于大多數(shù)個(gè)人物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說是可以接受的。然而，隨著器件的邊長(zhǎng)接近20毫米，射頻效率會(huì)顯著提高，能通過藍(lán)牙提供20-40米的傳輸距離。當(dāng)器件尺寸達(dá)到邊長(zhǎng)40毫米時(shí)，根據(jù)接地面積調(diào)整的多天線組合的最佳性能效率可達(dá)到最大。兩個(gè)相同藍(lán)牙設(shè)備之間的傳輸距離甚至可達(dá)到60-400米。

根據(jù)應(yīng)用和目標(biāo)尺寸的不同，設(shè)計(jì)人員需要考慮與PCB尺寸相關(guān)的天線性能和效率，因?yàn)榇蠖鄶?shù)芯片天線使用PCB接地層作為天線配置的一部分。此外，天線或SiP模塊的放置（包括凈空區(qū)域和接地）也是設(shè)計(jì)的重要部分。

外置天線

根據(jù)芯科科技的市場(chǎng)數(shù)據(jù)，大約有50%的2.4 GHz物聯(lián)網(wǎng)客戶評(píng)估了外置天線的可行性。然而，在這些設(shè)計(jì)中，只有10%實(shí)際部署了外置天線，90%的客戶選擇了內(nèi)置芯片天線的SiP模塊。這背后的原因是什么？首先，外置天線的結(jié)構(gòu)不利于設(shè)計(jì)，如果設(shè)備掉落，會(huì)很容易損壞。而且，外置天線會(huì)顯著增加物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的BOM和組裝成本。當(dāng)比較精心設(shè)計(jì)的芯片天線和外置天線的效率時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)使用外置天線沒有任何優(yōu)勢(shì)，除非設(shè)備的外殼是金屬的，并且可以形成防止射頻信號(hào)穿透設(shè)備的法拉第籠（Faraday cage）。

天線外殼

對(duì)于芯片天線，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和外殼會(huì)對(duì)天線失諧產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。當(dāng)射頻輻射從天線中產(chǎn)生時(shí)，會(huì)受到附近材料的影響。天線接觸金屬或塑料會(huì)導(dǎo)致失諧。因此，天線必須避免與塑料或金屬產(chǎn)生物理接觸。不同類型的天線對(duì)失諧的敏感度有所不同，單極天線比接地耦合天線更為敏感。

芯科科技配備內(nèi)置天線的藍(lán)牙SiP模塊

芯科科技的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）模塊是一種緊湊、快速、經(jīng)濟(jì)高效且對(duì)設(shè)計(jì)人員友好的解決方案，適用于開發(fā)小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。通過將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常所需的多個(gè)組件集成到極小的面積內(nèi)，SiP模塊成為了許多制造商縮小設(shè)備尺寸的快速途徑。

芯科科技的BGM220S和BGM240S藍(lán)牙SiP模塊集成了20多個(gè)關(guān)鍵的無源元件和晶體，如果你遵循布局準(zhǔn)則，就可以擺脫與射頻相關(guān)的設(shè)計(jì)擔(dān)憂。SiP模塊通過了全球各地的射頻認(rèn)證，可從根本上加快你的產(chǎn)品上市時(shí)間。

芯科科技的SiP模塊（例如BGM220S和BGM240S）最顯著的優(yōu)勢(shì)之一是天線集成在模塊基板內(nèi)部，即使在接近外殼和結(jié)構(gòu)的位置，也能防止失諧。得益于這種穩(wěn)健的天線架構(gòu)，SiP模塊可以放置在產(chǎn)品外殼附近，而無需在三維所有方向上都保留凈空區(qū)域，從而在不影響天線效率的情況下減小物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸。

使用SiP模塊，你可以實(shí)現(xiàn)與定制設(shè)計(jì)的天線相同的最佳射頻性能，從而在不影響天線性能的情況下最大限度地減小物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸。

與競(jìng)品模塊不同的是，BGM240S還提供了一個(gè)選項(xiàng)，可以為任何尺寸和形狀的主板從外部?jī)?yōu)化天線阻抗匹配，從而在各種場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)最佳射頻范圍。如果需要外置天線以獲得最佳射頻范圍，BGM220S和BGM240S還提供了另一個(gè)選項(xiàng)，可以從模塊的射頻焊盤到平面PCB天線之間布設(shè)一條50歐姆的走線。

BGM240S的輻射效率高達(dá)-1.4dB，幾乎與小型藍(lán)牙天線所能達(dá)到的輻射效率一樣高。

兩款適用于小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的藍(lán)牙SiP模塊

BGM220S旨在為低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）實(shí)現(xiàn)最小的設(shè)計(jì)占用面積。其6毫米 x 6毫米的尺寸和較小的天線凈空區(qū)域提供了完整的超緊湊型藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)考慮到與終端產(chǎn)品外殼相關(guān)的凈空需求時(shí)，BGM220S SiP模塊是世界上最小的藍(lán)牙解決方案，它具有ARM Cortex®-M33 MCU內(nèi)核、512 KB閃存和32 KB RAM，擁有業(yè)界領(lǐng)先的3.4 mA發(fā)射電流功耗，以及SiP模塊基板上的集成天線。

BGM240S的尺寸為7毫米 x 7毫米，是小型先進(jìn)藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想解決方案。憑借BGM240S的眾多關(guān)鍵特性，如ARM Cortex-M33內(nèi)核、10 dBm輸出功率、低電流消耗和獲得最高等級(jí)PSA 3 級(jí)認(rèn)證的安全性等，你可以創(chuàng)建穩(wěn)健且節(jié)能的應(yīng)用，同時(shí)保護(hù)終端用戶的隱私。高達(dá)1536 KB的閃存和256 KB的RAM這樣的大存儲(chǔ)空間，以及32個(gè)GPIO提供了最大化的資源，同時(shí)為發(fā)展保留了空間。

藍(lán)牙設(shè)備天線設(shè)計(jì)的三項(xiàng)專家級(jí)規(guī)則

要想充分發(fā)揮芯科科技內(nèi)置天線的SiP模塊的射頻性能，請(qǐng)遵循以下三項(xiàng)專家級(jí)規(guī)則，這可以支持你在不影響天線效率的情況下縮小設(shè)備尺寸。

1、布局

SiP模塊的布局并非最佳是最常見的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤之一，會(huì)降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線效率。維度和尺寸相同的兩塊PCB板，由于SiP模塊的布局方式不同，其天線效率可能會(huì)有顯著的差異。

以下的仿真示例顯示了SiP模塊的次優(yōu)布局與最優(yōu)布局相比，天線效率大幅降低（-5.7 dB），而最優(yōu)布局則可以提供極高的天線效率（-1.0 dB）。

通過遵循芯科科技關(guān)于如何在PCB上布局SiP模塊的準(zhǔn)則，你可以提高天線效率，實(shí)現(xiàn)更好的藍(lán)牙連接。

左圖：SiP模塊布局在狹窄PCB的短邊上，會(huì)降低天線效率。右圖：SiP模塊布局在狹窄PCB的長(zhǎng)邊上，可提供卓越的天線效率。

2、凈空

每個(gè)設(shè)計(jì)人員都知道，要想實(shí)現(xiàn)最佳天線效率，必須遵循制造商的凈空區(qū)域準(zhǔn)則，即使這樣會(huì)顯著增加設(shè)備的尺寸。同樣的規(guī)則也適用于內(nèi)置天線的SiP模塊。然而，一個(gè)鮮為人知的事實(shí)，也是一個(gè)常見的天線設(shè)計(jì)錯(cuò)誤是，雖然PCB表面的凈空區(qū)域內(nèi)沒有組件，但是凈空區(qū)域的下面卻布局了金屬部件（例如紐扣電池）。

以下的可視化仿真比較了兩種情況，一種是違反上述規(guī)則的天線設(shè)計(jì)，其將（金屬的）鈕扣電池布局在了凈空區(qū)域下面，導(dǎo)致天線效率是較低的-17.6 dB；另一種是遵循凈空區(qū)域要求的設(shè)計(jì)（包括PCB的下面），可顯著提高天線效率（-3.5 dB）。

左圖：遵循凈空區(qū)域要求，可提供最佳效率。右圖：在凈空區(qū)域的下面布局金屬部件（鈕扣電池），會(huì)降低天線效率。

3、定制設(shè)計(jì)的天線

由于集成在SiP模塊中的天線使用PCB的邊緣發(fā)出射頻，因此小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說尤其具有挑戰(zhàn)性。如果邊緣太短，就無法實(shí)現(xiàn)最佳的天線效率。在這種情況下，使用SiP模塊的內(nèi)置天線是不可行的，你必須考慮將定制設(shè)計(jì)的外置天線集成到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的外殼中，并通過U.Fl連接器等，將其連接到藍(lán)牙SiP模塊。

左圖：使用模塊內(nèi)置天線的設(shè)備尺寸太小，無法滿足布局準(zhǔn)則，會(huì)降低射頻效率。右圖：定制設(shè)計(jì)的外置天線針對(duì)極小尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，可提供出色的射頻效率。

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Pasi Rahikkala是芯科科技的高級(jí)系統(tǒng)工程師，專注于天線和射頻設(shè)計(jì)。Rahikkala曾在多家全球科技公司任職，擁有17年的無線工程工作經(jīng)驗(yàn)，并擁有多項(xiàng)無線模塊天線方面的專利。

Mikko Nurmimaki是芯科科技的高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理，專注于智能家居、醫(yī)療和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域。Nurmimaki曾在無線領(lǐng)域多家世界領(lǐng)先的科技企業(yè)任職，擁有20年的營(yíng)銷工作經(jīng)驗(yàn)。