小型蓝牙设备的天线设计

[导读]利用SiP模块最小化设备尺寸且不影响射频效率的三项专家级规则

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本文将帮助制造商利用蓝牙SiP模块和更好的天线设计来打造更小的物联网设备。文章介绍了小型蓝牙设备天线设计的典型挑战，以及集成天线的SiP模块如何帮助制造商减小设备尺寸、缩短开发时间和降低成本。最后，本文介绍了天线设计的三项专家级规则，包括产品设计示例的仿真图解，帮助你尽可能从蓝牙SiP模块中获得最佳的射频效率，并在不影响无线性能的情况下，最大限度地缩小物联网设备的尺寸。遵循这些准则将帮助你设计出具有可靠蓝牙连接的小型物联网设备，满足消费者需求并增加收入。

设计小型蓝牙物联网设备

对于许多蓝牙物联网（IoT）设备（例如医疗设备和可穿戴设备）来说，尺寸至关重要。消费者更喜欢购买尺寸小、设计时尚的产品。另一方面，鉴于一些医疗和健康应用的性质，许多设备只能以极小的外形尺寸发挥作用，这就迫使设计人员在最小化设备尺寸时要去挑战极限。

尺寸是许多制造商选择蓝牙系统级封装（SiP）模块而不是片上系统（SoC）的原因。SiP模块在几毫米的微小尺寸中集成了20多个关键组件，例如去耦电容、DCDC组件、晶体、射频匹配和谐波滤波，使设备制造商能够从根本上缩小其印制电路板（PCB）的尺寸。此外，SiP模块通过了全球各地的射频认证，可大幅缩短开发时间。

天线和无线电接口

电源和去耦

芯科科技BGM240S蓝牙SiP模块在仅仅7毫米 x 7毫米的面积上集成了20多个关键组件，若非如此，这些组件都必须安装在物联网设备的PCB上。上图显示了这些组件的参考设计，阐明为设备制造商大幅节省了PCB占用面积、设计工作量和物料清单（BoM）成本。

然而，如果您想打造一款具有可靠无线性能的小型蓝牙设备，仅在PCB上安装蓝牙SiP模块是不够的，还需要仔细地进行天线设计。

高效的无线性能是无数相互依赖的物理、电磁和机械变量的组合，即使是最微小的细节和变化也会对彼此产生影响。作为设计人员，如果没有为天线预留足够空间并遵循净空要求，就无法缩小设备尺寸。设计人员还必须要仔细选择材料，考虑它们的电磁特性会如何影响无线电信号。此外，设备的机械结构必须根据无线电传播理论进行设计。然而，你通常只能利用有限的时间开发产品，而且成本支出不能过于高昂。

总之，小型物联网设备的天线设计深具挑战性。一方面，你要满足消费者对更小尺寸、更时尚设计和更便宜价格的需求，以大幅提高销量。另一方面，你不能违反物理和电磁学定律，将次优的天线设计塞进过于狭小的产品外壳中。

天线类型及性能影响因素

PCB天线

PCB板载天线（例如倒F天线），因其较低的BOM成本而在物联网中备受欢迎。然而，PCB天线需要大量空间，通常需要25毫米 x 15毫米的范围，最终导致物联网设备变得巨大。

芯片天线

芯片天线简化了设计并实现了更小的产品尺寸。通常，实际的辐射器不是芯片天线本身，而是接地层。因此，芯片天线的效率很大程度上受到安装天线的PCB尺寸和形状的影响。不同的芯片天线被设计用于不同的安装条件。一种天线可能在PCB的角落处可以提供最佳效率，而另一种天线则是在PCB的边缘处效果最佳。非常重要的是，在使用芯片天线进行设计时，必须严格遵循制造商的设计准则，并且要为每种设备和安装场景选择最佳的天线类型。

天线长度

物联网设备越小，天线设计人员必须要做出的妥协就越多。从理论上讲，允许天线所使用的面积越小，射频性能的效率就越低。

边长小于10毫米的器件和手机之间的蓝牙传输距离大约为10米，这对于大多数个人物联网设备来说是可以接受的。然而，随着器件的边长接近20毫米，射频效率会显著提高，能通过蓝牙提供20-40米的传输距离。当器件尺寸达到边长40毫米时，根据接地面积调整的多天线组合的最佳性能效率可达到最大。两个相同蓝牙设备之间的传输距离甚至可达到60-400米。

根据应用和目标尺寸的不同，设计人员需要考虑与PCB尺寸相关的天线性能和效率，因为大多数芯片天线使用PCB接地层作为天线配置的一部分。此外，天线或SiP模块的放置（包括净空区域和接地）也是设计的重要部分。

外置天线

根据芯科科技的市场数据，大约有50%的2.4 GHz物联网客户评估了外置天线的可行性。然而，在这些设计中，只有10%实际部署了外置天线，90%的客户选择了内置芯片天线的SiP模块。这背后的原因是什么？首先，外置天线的结构不利于设计，如果设备掉落，会很容易损坏。而且，外置天线会显著增加物联网设备的BOM和组装成本。当比较精心设计的芯片天线和外置天线的效率时，会发现使用外置天线没有任何优势，除非设备的外壳是金属的，并且可以形成防止射频信号穿透设备的法拉第笼（Faraday cage）。

天线外壳

对于芯片天线，物联网设备的结构和外壳会对天线失谐产生关键性的影响。当射频辐射从天线中产生时，会受到附近材料的影响。天线接触金属或塑料会导致失谐。因此，天线必须避免与塑料或金属产生物理接触。不同类型的天线对失谐的敏感度有所不同，单极天线比接地耦合天线更为敏感。

芯科科技配备内置天线的蓝牙SiP模块

芯科科技的系统级封装（SiP）模块是一种紧凑、快速、经济高效且对设计人员友好的解决方案，适用于开发小型物联网设备。通过将物联网设备通常所需的多个组件集成到极小的面积内，SiP模块成为了许多制造商缩小设备尺寸的快速途径。

芯科科技的BGM220S和BGM240S蓝牙SiP模块集成了20多个关键的无源元件和晶体，如果你遵循布局准则，就可以摆脱与射频相关的设计担忧。SiP模块通过了全球各地的射频认证，可从根本上加快你的产品上市时间。

芯科科技的SiP模块（例如BGM220S和BGM240S）最显著的优势之一是天线集成在模块基板内部，即使在接近外壳和结构的位置，也能防止失谐。得益于这种稳健的天线架构，SiP模块可以放置在产品外壳附近，而无需在三维所有方向上都保留净空区域，从而在不影响天线效率的情况下减小物联网设备的尺寸。

使用SiP模块，你可以实现与定制设计的天线相同的最佳射频性能，从而在不影响天线性能的情况下最大限度地减小物联网设备的尺寸。

与竞品模块不同的是，BGM240S还提供了一个选项，可以为任何尺寸和形状的主板从外部优化天线阻抗匹配，从而在各种场景中实现最佳射频范围。如果需要外置天线以获得最佳射频范围，BGM220S和BGM240S还提供了另一个选项，可以从模块的射频焊盘到平面PCB天线之间布设一条50欧姆的走线。

BGM240S的辐射效率高达-1.4dB，几乎与小型蓝牙天线所能达到的辐射效率一样高。

两款适用于小型物联网设备的蓝牙SiP模块

BGM220S旨在为低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）实现最小的设计占用面积。其6毫米 x 6毫米的尺寸和较小的天线净空区域提供了完整的超紧凑型蓝牙实现方案。当考虑到与终端产品外壳相关的净空需求时，BGM220S SiP模块是世界上最小的蓝牙解决方案，它具有ARM Cortex®-M33 MCU内核、512 KB闪存和32 KB RAM，拥有业界领先的3.4 mA发射电流功耗，以及SiP模块基板上的集成天线。

BGM240S的尺寸为7毫米 x 7毫米，是小型先进蓝牙物联网设备的理想解决方案。凭借BGM240S的众多关键特性，如ARM Cortex-M33内核、10 dBm输出功率、低电流消耗和获得最高等级PSA 3 级认证的安全性等，你可以创建稳健且节能的应用，同时保护终端用户的隐私。高达1536 KB的闪存和256 KB的RAM这样的大存储空间，以及32个GPIO提供了最大化的资源，同时为发展保留了空间。

蓝牙设备天线设计的三项专家级规则

要想充分发挥芯科科技内置天线的SiP模块的射频性能，请遵循以下三项专家级规则，这可以支持你在不影响天线效率的情况下缩小设备尺寸。

1、布局

SiP模块的布局并非最佳是最常见的设计错误之一，会降低物联网设备的天线效率。维度和尺寸相同的两块PCB板，由于SiP模块的布局方式不同，其天线效率可能会有显著的差异。

以下的仿真示例显示了SiP模块的次优布局与最优布局相比，天线效率大幅降低（-5.7 dB），而最优布局则可以提供极高的天线效率（-1.0 dB）。

通过遵循芯科科技关于如何在PCB上布局SiP模块的准则，你可以提高天线效率，实现更好的蓝牙连接。

左图：SiP模块布局在狭窄PCB的短边上，会降低天线效率。右图：SiP模块布局在狭窄PCB的长边上，可提供卓越的天线效率。

2、净空

每个设计人员都知道，要想实现最佳天线效率，必须遵循制造商的净空区域准则，即使这样会显著增加设备的尺寸。同样的规则也适用于内置天线的SiP模块。然而，一个鲜为人知的事实，也是一个常见的天线设计错误是，虽然PCB表面的净空区域内没有组件，但是净空区域的下面却布局了金属部件（例如纽扣电池）。

以下的可视化仿真比较了两种情况，一种是违反上述规则的天线设计，其将（金属的）钮扣电池布局在了净空区域下面，导致天线效率是较低的-17.6 dB；另一种是遵循净空区域要求的设计（包括PCB的下面），可显著提高天线效率（-3.5 dB）。

左图：遵循净空区域要求，可提供最佳效率。右图：在净空区域的下面布局金属部件（钮扣电池），会降低天线效率。

3、定制设计的天线

由于集成在SiP模块中的天线使用PCB的边缘发出射频，因此小型物联网设备对于设计人员来说尤其具有挑战性。如果边缘太短，就无法实现最佳的天线效率。在这种情况下，使用SiP模块的内置天线是不可行的，你必须考虑将定制设计的外置天线集成到物联网设备的外壳中，并通过U.Fl连接器等，将其连接到蓝牙SiP模块。