藍芽低功耗(BLE)印刷式天線設計參考
本文章基於Dialog天線設計技術文件針對於BLE印刷式PCB天線設計要點作一論述。BLE天線工作於2.4GHz頻段，其中印刷式PCB天線因其低成本特性廣泛的使用於BLE產品中。天線設計時應避免的幾個基本規則，如多層 PCB，根據可用的 PCB 空間，提供了多種天線選項。需在天線尺寸和輻射性能之間存在折衷平衡。全尺寸天線由於阻抗接近50歐姆，因此更易於匹配。對於單層 PCB主要挑戰是為天線提供合適的接地 (GND) 面，當使用較低成本的基板材料時，這也會相對影響天線的輻射效率。
RF Layout設計
RF路徑走線, 濾波與匹配電
將RF匹配元件與任何RF濾波器 盡可能靠近RF IC。確保所有元件的 GND 連接到相同的 GND面（如下圖RF 路徑左側）。
將RF IC與天線間的距離盡可能縮小。RF路徑的特性阻抗需匹配為50歐姆(假設RF 阻抗50歐姆)。目前大多數的 PCB Layout工具都可以計算路徑的特性阻抗基於不同的PCB疊層結構與板材。
所有的天線匹配元件都須盡可能靠近天線饋入點，確保所有元件的 GND 連接到相同的 GND面（如下圖RF 路徑左側）。
圖一：RF 路徑
天線一般設計考量
不要在天線本身下方放置金屬層，天線下方必須保持淨空。勿將金屬螺絲、散熱器、壓電蜂鳴器、電池等放置在靠近天線。
根據經驗，天線覆蓋區域水平面與垂直面周圍應至少預留有5 mm空間。
產品外殼物用金屬材質，否則會嚴重阻隔天線輻射範圍效率。
多層板設計
在多層PCB疊構下，建構一個良好的參考GND面相對容易。這特別重要由於大多數的印刷式天線採用倒F形天線(IFA)
全尺寸IFA印刷天線(1mm板厚)
圖二
一個參考的IFA 天線如上圖紅框區域：
- A區: 將天線與左方GND間區域清空
- B區: 將天線與右方GND間區域清空。ab 區域需切齊板邊，天線左右兩端不需鋪地
- C區: 將天線與下方GND間區域清空。
- D區: 針對天線應用的最小GND 區域要求。
- E區: 天線寬度，天線會製作於Top與Bottom兩層，並透過VIA孔將其連接。
- F區: 天線路徑寬度(0.6mm)
- G區: 訊號饋入點
小尺寸IFA印刷天線(1mm板厚)型態1
圖三
與全尺寸印刷天線不同，小尺寸IFA天線僅需製作於TOP層：
- A區: 將天線與左方GND間區域清空
- B區: 將天線與右方GND間區域清空。ab 區域需切齊板邊，天線左右兩端不需鋪地
- C區: 將天線與下方GND間區域清空。
- D區: 針對天線應用的最小GND 區域要求。
- E區: 天線寬度
- F區: 天線主體寬度: 0.8mm , 長度:24.4mm
- G區: 天線蜿蜒部寬度: 0.153mm , 長度:21.22mm
小尺寸IFA印刷天線(1mm板厚)型態2
圖四
與全尺寸印刷天線不同，小尺寸IFA天線僅需製作於TOP層
- A區: 天線總寬度
- B區: 天線總高度
- C區: 針對天線應用的最小GND 區域要求。
ZOR印刷天線(1.6mm/1.0mm板厚)
此型ZOR( Zeroth Order Resonance)印刷天線必須設計在至少兩層厚度1.6mm或1.0mm的板材上。TOP層與BOTTOM層的設計如下圖
圖五
- A區: 將天線與右方GND間區域清空4.0mm寬。
- B區: 將天線與下方GND間區域清空1.0mm高
- C區: 天線總長9.0mm。
- D區: 天線總寬5.8mm。
單層板設計
由於天線需與金屬共存於同一層，單層PCB的IFA天線尺寸會大於多層PCB的印刷天線。為了減省成本而採用單層PCB通常會造成較差的RF效能，因其有較高的介電損耗。這直接了影響輻射效益。一般設計於FR1的IFA輻射效益大約介於-2.5dB到-5dB間
單層IFA印刷天線(1.0mm板厚)
圖六
- A區: 將天線與右方GND間區域清空
- B區: 天線寬度
- C區: 天線高度
- D區: 將天線與下方GND間區域清空
- E區: 針對天線應用的最小GND 區域要求。
- F區: 天線線寬
- G區: 天線訊號饋入點
- H區: 用一0603 0歐姆電阻將左右端GND面連接
參考文獻
1.Dialog, Designing Printed Antennas for Bluetooth Smart, https://www.dialog-semiconductor.com/sites/default/files/an-b-027_designing_printed_antennas_for_bluetooth_low_energy_2v3.pdf
2. Dialog, Designing Printed Antennas: DXF , https://www.dialog-semiconductor.com/sites/default/files/an_b-027_designing_printed_antennas_dxf.zip