關(guān)于SH87F8801 2.4G藍(lán)牙天線(xiàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試

接上一篇，我們繼續(xù)來(lái)介紹關(guān)于SH87F8801 2.4G藍(lán)牙天線(xiàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試：

四．“倒F”天線(xiàn)的調(diào)試

4. 1 匹配調(diào)試方法

天線(xiàn)的匹配調(diào)試簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是要確保在藍(lán)牙LE的工作頻帶內(nèi)，從芯片端看向天線(xiàn)的阻抗是50歐姆，從天線(xiàn)端看向芯片端的阻抗也是50歐姆，如下圖所示。

圖12. 匹配調(diào)試的參考圖

當(dāng)然如果能形成共軛匹配也是可以的，也就是分別看向兩邊的阻抗的實(shí)部相同，虛部相反互相抵消，這樣匹配調(diào)試只要調(diào)一邊（一般是天線(xiàn)端）的輸入阻抗就可以，而不需要像上述方法那樣調(diào)兩邊的阻抗。但從我自己的大量實(shí)踐來(lái)看，把兩邊都調(diào)成50歐姆阻抗做匹配這種方法更簡(jiǎn)單和更可靠，主要有以下幾個(gè)原因：

l 共軛匹配需要芯片端的阻抗測(cè)試非常精確，尤其是阻抗的虛部，這樣才能在史密斯圓圖上確認(rèn)匹配電路的結(jié)構(gòu)形式和參考元件值，而實(shí)踐中阻抗測(cè)試的結(jié)果非常準(zhǔn)是有難度的，網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)，同軸線(xiàn)材，饋點(diǎn)位置和接地焊接等因數(shù)都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性，感覺(jué)阻抗的虛部誤差會(huì)比較大。

l 實(shí)際的電阻，電感，電容器件都是非理想的，從等效模型上看都相當(dāng)于R，L，C的串并聯(lián)組合，應(yīng)用頻率越高，非理想的影響越大。對(duì)于藍(lán)牙的2.4GHz頻率來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們按照史密斯圓圖推薦的匹配元件值焊接到PCB上，會(huì)發(fā)現(xiàn)得到的阻抗值并不是預(yù)期值，也就是說(shuō)沒(méi)有按照史密斯圓圖上的圓軌跡（等電阻圓或等電導(dǎo)圓）移動(dòng)到達(dá)預(yù)定阻抗點(diǎn)，有時(shí)甚至向相反的方向移動(dòng)。

圖13. 電阻，電感和電容的等效電路

l 藍(lán)牙芯片端的射頻阻抗（經(jīng)過(guò)Balun以后）都是依照50歐姆設(shè)計(jì)的，所以正常的PCB測(cè)量芯片端的阻抗應(yīng)該就是在50歐姆左右，相應(yīng)天線(xiàn)端依照50歐姆做匹配最簡(jiǎn)單。即使有時(shí)由于PCB layout原因或物料原因?qū)е滦酒俗杩褂行┢x50歐姆，我也是先把芯片端阻抗調(diào)整到50歐姆，然后再去做天線(xiàn)端匹配，從實(shí)踐來(lái)看這樣做走彎路和做無(wú)用功的幾率要低，容易獲得好的調(diào)試效果。

4.2 芯片端的阻抗調(diào)試

圖14. SH87F8801的射頻前端原理圖

上圖是我們SH87F8801芯片的射頻前端電路，從中間（50歐姆阻抗參考點(diǎn)）分為左右兩部分，右邊是天線(xiàn)及其匹配電路，左邊是芯片射頻前端電路。按照上一小節(jié)所述，本來(lái)左邊也要加一個(gè)π形匹配電路，但我們芯片外圍已經(jīng)有一個(gè)包含Balun的射頻前端電路，正常情況下從紅叉處測(cè)得的芯片端阻抗就在50歐姆左右，如果遇到個(gè)別PCB由于layout原因或器件原因?qū)е滦酒俗杩蛊x50歐姆比較多，基本都可以通過(guò)調(diào)節(jié)射頻前端電路里的L2和C24將阻抗拉回到50歐姆，所以對(duì)于SH87F8801來(lái)說(shuō)芯片端的π形匹配電路不需要。

在調(diào)試芯片端的匹配的時(shí)候，每次更換不同值的元器件以后，既要用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S11，也要用藍(lán)牙測(cè)試儀測(cè)試芯片的接收靈敏度和發(fā)射功率。一般情況下隨著S11的變好，芯片的接收靈敏度和發(fā)射功率也會(huì)變好，但到了一定程度，即使把S11曲線(xiàn)調(diào)節(jié)的再漂亮（深度更深，中心頻點(diǎn)更準(zhǔn)確），芯片的接收靈敏度和發(fā)射功率也不會(huì)再提高了，甚至?xí)陆担▋蓚€(gè)指標(biāo)都下降或其中一個(gè)指標(biāo)下降），所以要選取一個(gè)平衡點(diǎn)，在這個(gè)平衡點(diǎn)上，S11曲線(xiàn)的中心頻率基本在2.44GHz左右，2402MHz，2440MHz，2480MHz三個(gè)頻點(diǎn)的S11值都在-10dB以下，芯片的接收靈敏度和發(fā)射功率比標(biāo)稱(chēng)值低1dBm以?xún)?nèi)就可以了。

4. 3 天線(xiàn)端的匹配調(diào)試

一般情況下我們是通過(guò)對(duì)π形匹配電路的調(diào)試來(lái)達(dá)到天線(xiàn)的阻抗在2.4GHz接近50歐姆，對(duì)于陶瓷天線(xiàn)等固定無(wú)法更改的天線(xiàn)是非常必要的。π形電路調(diào)試主要是基于史密斯圓圖，如上一節(jié)所述，由于實(shí)際器件的非理想化，調(diào)試時(shí)不要過(guò)分迷信史密斯圓圖的推薦電路，很多情況下最終匹配電路和推薦電路差別很大，不但元件值不同，甚至電路形式也不一樣。

對(duì)于PCB天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它的結(jié)構(gòu)，形狀和尺寸都可以任意變更，僅調(diào)整自身就可達(dá)到良好的阻抗匹配，理論上可以實(shí)現(xiàn)與芯片端的直連，不需要π形匹配電路?；?.2.3節(jié)所述，仿真軟件設(shè)計(jì)出的PCB天線(xiàn)已經(jīng)是50歐姆阻抗了，那還需要進(jìn)行匹配調(diào)試么？答案是需要的，基于以下幾個(gè)原因：

l 仿真建模是實(shí)物的一個(gè)模擬近似，不可能100%相同，另外PCB的加工精度，材料等都會(huì)有差異，所以天線(xiàn)性能的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間會(huì)有一定的差異。

l 天線(xiàn)接地層的變化對(duì)性能影響很大，如3.2.2節(jié)所述，倒F天線(xiàn)可以看做是一個(gè)LC諧振器，當(dāng)L或C增加時(shí)，該LC諧振器的諧振頻率會(huì)下降。接地層面積的增加相當(dāng)于增大容值，天線(xiàn)的諧振頻率會(huì)變低。這一規(guī)律對(duì)模塊上的天線(xiàn)設(shè)計(jì)的影響尤其大，因?yàn)槟K不是獨(dú)立使用的，最終都要焊在一個(gè)底板上，等于變相增大了接地層面積，所以模組上的藍(lán)牙天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)要預(yù)留一定偏差，S11中心點(diǎn)要比2.44GHz偏高大約50~200MHz，底板面積越大，需要預(yù)留的偏差越大。

l 塑料外殼也會(huì)對(duì)天線(xiàn)帶來(lái)影響，它改變了天線(xiàn)附近的介電常數(shù)，并不完全是仿真計(jì)算里圍繞PCB的空氣層，其影響效果類(lèi)似于增大接地層面積，會(huì)降低天線(xiàn)的諧振頻率。大部分的產(chǎn)品都是有外殼的，所以這一影響在調(diào)試時(shí)必須要考慮進(jìn)去。

針對(duì)接地面積和塑料外殼的影響，我們用兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明天線(xiàn)調(diào)試的過(guò)程。

實(shí)例1，一款SH87F8801的藍(lán)牙模塊，模塊的天線(xiàn)區(qū)域大小是6*16mm，這個(gè)尺寸不足以放置2.3小節(jié)所述的經(jīng)典倒F天線(xiàn)，我們將經(jīng)典倒F天線(xiàn)的發(fā)射臂彎折，根據(jù)模塊的尺寸（22.5*16mm）進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，最終圖形如下圖左。

圖15. SH87F8801模塊帶天線(xiàn)（左為原始設(shè)計(jì)V1.0，右為改良設(shè)計(jì)V2.0）

由于尺寸的限制，這次仿真設(shè)計(jì)在天線(xiàn)性能上做了一些妥協(xié)，只保證了諧振點(diǎn)和輸入阻抗，帶寬這塊損失比較多，不足100MHz，仿真結(jié)果如下圖。

圖16.模塊V1.0天線(xiàn)的設(shè)計(jì)仿真S11圖

實(shí)測(cè)單獨(dú)模塊的天線(xiàn)S11與上圖基本類(lèi)似，但是將模塊焊到評(píng)估板上后測(cè)試的天線(xiàn)S11圖不好，如下圖所示，諧振點(diǎn)被拉低到2.315GHz。

圖17.評(píng)估板上的模塊V1.0天線(xiàn)測(cè)試

SH87F8801模塊后來(lái)做了PCB改版，修改了一些地方的電路和走線(xiàn)，趁這次改版的機(jī)會(huì)把天線(xiàn)做了調(diào)整，加粗了天線(xiàn)的輻射臂和饋線(xiàn)（見(jiàn)圖15的左右對(duì)比，改版前后的天線(xiàn)外形基本相同，但線(xiàn)條寬度不同），加粗天線(xiàn)的輻射臂等于變相縮短天線(xiàn)，天線(xiàn)的諧振頻點(diǎn)被抬高到2.54GHz，當(dāng)模塊被焊到底板上，天線(xiàn)諧振頻點(diǎn)被拉低，諧振頻點(diǎn)重新回到2.44GHz，如下圖所示。

圖18.評(píng)估板上的模塊V2.0天線(xiàn)測(cè)試

實(shí)例2，一款SH87F8801的藍(lán)牙語(yǔ)音遙控器，采用了2.3小節(jié)所講的“蛇形倒F”天線(xiàn)，設(shè)計(jì)之初考慮到遙控器塑料外殼的影響，預(yù)先把蛇形倒F天線(xiàn)截短了（去掉了蛇形的最后一節(jié)線(xiàn)段），如下圖左所示。

圖19.遙控器板上的PCB天線(xiàn)（左為修改前，右為修改后）

裝成整機(jī)后實(shí)測(cè)天線(xiàn)的諧振頻點(diǎn)還是有點(diǎn)偏低，將天線(xiàn)再截短1mm后諧振頻點(diǎn)基本對(duì)準(zhǔn)2.44GHz，PCB按照這個(gè)改版。

圖20.遙控器整機(jī)的天線(xiàn)S11圖（左為修改前，右為修改后）

4. 4天線(xiàn)的驗(yàn)證

以上天線(xiàn)的調(diào)整效果還是基于網(wǎng)分的測(cè)試，還必須在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行檢驗(yàn)。我的經(jīng)驗(yàn)是可以從兩個(gè)方面來(lái)做對(duì)比：

l 近距離效果：手機(jī)靠近藍(lán)牙模塊的天線(xiàn)，用BLE的APP測(cè)試RSSI值。同等條件下，新舊模塊在手機(jī)上顯示的RSSI值相差5~10dB，效果提升明顯。

l 遠(yuǎn)距離效果：在空曠地帶測(cè)試藍(lán)牙模塊與手機(jī)之間的通訊距離。目前新模塊最遠(yuǎn)距離超過(guò)了100米，比之前有很大進(jìn)步。藍(lán)牙語(yǔ)音遙控器更改過(guò)天線(xiàn)后，藍(lán)牙語(yǔ)音的傳送距離（無(wú)卡頓，無(wú)丟字）明顯增加。

PCB空間足夠的情況下最好使用經(jīng)典倒F天線(xiàn)，雖然占用的面積大一些，但它性能好，帶寬余量大，后期通過(guò)改變發(fā)射臂長(zhǎng)度的辦法來(lái)調(diào)整諧振頻點(diǎn)比較容易。

結(jié)構(gòu)允許的情況下，倒F天線(xiàn)在PCB上放置時(shí)離芯片越近越好，這樣可以大大減少由于中間射頻走線(xiàn)不良或太長(zhǎng)帶來(lái)的阻抗失配和信號(hào)損耗。

另外天線(xiàn)端的π形匹配電路最好保留，除了方便S11測(cè)試外，還有可能會(huì)用于諧波的抑制，CE，F(xiàn)CC等無(wú)線(xiàn)電子產(chǎn)品的認(rèn)證中有這項(xiàng)測(cè)試，萬(wàn)一諧波測(cè)試不過(guò)還有補(bǔ)救的手段。