关于SH87F8801 2.4G蓝牙天线设计和调试
接上一篇，我们继续来介绍关于sh87f8801 2.4g蓝牙天线设计和调试：
四．“倒f”天线的调试
4. 1 匹配调试方法
天线的匹配调试简单来说就是要确保在蓝牙le的工作频带内，从芯片端看向天线的阻抗是50欧姆，从天线端看向芯片端的阻抗也是50欧姆，如下图所示。
图12. 匹配调试的参考图
当然如果能形成共轭匹配也是可以的，也就是分别看向两边的阻抗的实部相同，虚部相反互相抵消，这样匹配调试只要调一边（一般是天线端）的输入阻抗就可以，而不需要像上述方法那样调两边的阻抗。但从我自己的大量实践来看，把两边都调成50欧姆阻抗做匹配这种方法更简单和更可靠，主要有以下几个原因：
l 共轭匹配需要芯片端的阻抗测试非常精确，尤其是阻抗的虚部，这样才能在史密斯圆图上确认匹配电路的结构形式和参考元件值，而实践中阻抗测试的结果非常准是有难度的，网络分析仪的校准，同轴线材，馈点位置和接地焊接等因数都会影响测量结果的真实性，感觉阻抗的虚部误差会比较大。
l 实际的电阻，电感，电容器件都是非理想的，从等效模型上看都相当于r，l，c的串并联组合，应用频率越高，非理想的影响越大。对于蓝牙的2.4ghz频率来说，当我们按照史密斯圆图推荐的匹配元件值焊接到pcb上，会发现得到的阻抗值并不是预期值，也就是说没有按照史密斯圆图上的圆轨迹（等电阻圆或等电导圆）移动到达预定阻抗点，有时甚至向相反的方向移动。
图13. 电阻，电感和电容的等效电路
l 蓝牙芯片端的射频阻抗（经过balun以后）都是依照50欧姆设计的，所以正常的pcb测量芯片端的阻抗应该就是在50欧姆左右，相应天线端依照50欧姆做匹配最简单。即使有时由于pcb layout原因或物料原因导致芯片端阻抗有些偏离50欧姆，我也是先把芯片端阻抗调整到50欧姆，然后再去做天线端匹配，从实践来看这样做走弯路和做无用功的几率要低，容易获得好的调试效果。
4.2 芯片端的阻抗调试
图14. sh87f8801的射频前端原理图
上图是我们sh87f8801芯片的射频前端电路，从中间（50欧姆阻抗参考点）分为左右两部分，右边是天线及其匹配电路，左边是芯片射频前端电路。按照上一小节所述，本来左边也要加一个π形匹配电路，但我们芯片外围已经有一个包含balun的射频前端电路，正常情况下从红叉处测得的芯片端阻抗就在50欧姆左右，如果遇到个别pcb由于layout原因或器件原因导致芯片端阻抗偏离50欧姆比较多，基本都可以通过调节射频前端电路里的l2和c24将阻抗拉回到50欧姆，所以对于sh87f8801来说芯片端的π形匹配电路不需要。
在调试芯片端的匹配的时候，每次更换不同值的元器件以后，既要用网络分析仪测量s11，也要用蓝牙测试仪测试芯片的接收灵敏度和发射功率。一般情况下随着s11的变好，芯片的接收灵敏度和发射功率也会变好，但到了一定程度，即使把s11曲线调节的再漂亮（深度更深，中心频点更准确），芯片的接收灵敏度和发射功率也不会再提高了，甚至会下降（两个指标都下降或其中一个指标下降），所以要选取一个平衡点，在这个平衡点上，s11曲线的中心频率基本在2.44ghz左右，2402mhz，2440mhz，2480mhz三个频点的s11值都在-10db以下，芯片的接收灵敏度和发射功率比标称值低1dbm以内就可以了。
4. 3 天线端的匹配调试
一般情况下我们是通过对π形匹配电路的调试来达到天线的阻抗在2.4ghz接近50欧姆，对于陶瓷天线等固定无法更改的天线是非常必要的。π形电路调试主要是基于史密斯圆图，如上一节所述，由于实际器件的非理想化，调试时不要过分迷信史密斯圆图的推荐电路，很多情况下最终匹配电路和推荐电路差别很大，不但元件值不同，甚至电路形式也不一样。
对于pcb天线来说，它的结构，形状和尺寸都可以任意变更，仅调整自身就可达到良好的阻抗匹配，理论上可以实现与芯片端的直连，不需要π形匹配电路。基于3.2.3节所述，仿真软件设计出的pcb天线已经是50欧姆阻抗了，那还需要进行匹配调试么？答案是需要的，基于以下几个原因：
l 仿真建模是实物的一个模拟近似，不可能100%相同，另外pcb的加工精度，材料等都会有差异，所以天线性能的仿真结果与实测结果之间会有一定的差异。
l 天线接地层的变化对性能影响很大，如3.2.2节所述，倒f天线可以看做是一个lc谐振器，当l或c增加时，该lc谐振器的谐振频率会下降。接地层面积的增加相当于增大容值，天线的谐振频率会变低。这一规律对模块上的天线设计的影响尤其大，因为模块不是独立使用的，最终都要焊在一个底板上，等于变相增大了接地层面积，所以模组上的蓝牙天线设计时要预留一定偏差，s11中心点要比2.44ghz偏高大约50~200mhz，底板面积越大，需要预留的偏差越大。
l 塑料外壳也会对天线带来影响，它改变了天线附近的介电常数，并不完全是仿真计算里围绕pcb的空气层，其影响效果类似于增大接地层面积，会降低天线的谐振频率。大部分的产品都是有外壳的，所以这一影响在调试时必须要考虑进去。
针对接地面积和塑料外壳的影响，我们用两个实例来说明天线调试的过程。
实例1，一款sh87f8801的蓝牙模块，模块的天线区域大小是6*16mm，这个尺寸不足以放置2.3小节所述的经典倒f天线，我们将经典倒f天线的发射臂弯折，根据模块的尺寸（22.5*16mm）进行了仿真设计，最终图形如下图左。
图15. sh87f8801模块带天线（左为原始设计v1.0，右为改良设计v2.0）
由于尺寸的限制，这次仿真设计在天线性能上做了一些妥协，只保证了谐振点和输入阻抗，带宽这块损失比较多，不足100mhz，仿真结果如下图。
图16.模块v1.0天线的设计仿真s11图
实测单独模块的天线s11与上图基本类似，但是将模块焊到评估板上后测试的天线s11图不好，如下图所示，谐振点被拉低到2.315ghz。
图17.评估板上的模块v1.0天线测试
sh87f8801模块后来做了pcb改版，修改了一些地方的电路和走线，趁这次改版的机会把天线做了调整，加粗了天线的辐射臂和馈线（见图15的左右对比，改版前后的天线外形基本相同，但线条宽度不同），加粗天线的辐射臂等于变相缩短天线，天线的谐振频点被抬高到2.54ghz，当模块被焊到底板上，天线谐振频点被拉低，谐振频点重新回到2.44ghz，如下图所示。
图18.评估板上的模块v2.0天线测试
实例2，一款sh87f8801的蓝牙语音遥控器，采用了2.3小节所讲的“蛇形倒f”天线，设计之初考虑到遥控器塑料外壳的影响，预先把蛇形倒f天线截短了（去掉了蛇形的最后一节线段），如下图左所示。
图19.遥控器板上的pcb天线（左为修改前，右为修改后）
装成整机后实测天线的谐振频点还是有点偏低，将天线再截短1mm后谐振频点基本对准2.44ghz，pcb按照这个改版。
图20.遥控器整机的天线s11图（左为修改前，右为修改后）
4. 4天线的验证
以上天线的调整效果还是基于网分的测试，还必须在实际应用中进行检验。我的经验是可以从两个方面来做对比：
l 近距离效果：手机靠近蓝牙模块的天线，用ble的app测试rssi值。同等条件下，新旧模块在手机上显示的rssi值相差5~10db，效果提升明显。
l 远距离效果：在空旷地带测试蓝牙模块与手机之间的通讯距离。目前新模块最远距离超过了100米，比之前有很大进步。蓝牙语音遥控器更改过天线后，蓝牙语音的传送距离（无卡顿，无丢字）明显增加。
pcb空间足够的情况下最好使用经典倒f天线，虽然占用的面积大一些，但它性能好，带宽余量大，后期通过改变发射臂长度的办法来调整谐振频点比较容易。
结构允许的情况下，倒f天线在pcb上放置时离芯片越近越好，这样可以大大减少由于中间射频走线不良或太长带来的阻抗失配和信号损耗。
另外天线端的π形匹配电路最好保留，除了方便s11测试外，还有可能会用于谐波的抑制，ce，fcc等无线电子产品的认证中有这项测试，万一谐波测试不过还有补救的手段。
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天线的匹配调试简单来说就是要确保在蓝牙le的工作频带内，从芯片端看向天线的阻抗是50欧姆，从天线端看向芯片端的阻抗也是50欧姆，如下图所示。
图12. 匹配调试的参考图
当然如果能形成共轭匹配也是可以的，也就是分别看向两边的阻抗的实部相同，虚部相反互相抵消，这样匹配调试只要调一边（一般是天线端）的输入阻抗就可以，而不需要像上述方法那样调两边的阻抗。但从我自己的大量实践来看，把两边都调成50欧姆阻抗做匹配这种方法更简单和更可靠，主要有以下几个原因：
l 共轭匹配需要芯片端的阻抗测试非常精确，尤其是阻抗的虚部，这样才能在史密斯圆图上确认匹配电路的结构形式和参考元件值，而实践中阻抗测试的结果非常准是有难度的，网络分析仪的校准，同轴线材，馈点位置和接地焊接等因数都会影响测量结果的真实性，感觉阻抗的虚部误差会比较大。
l 实际的电阻，电感，电容器件都是非理想的，从等效模型上看都相当于r，l，c的串并联组合，应用频率越高，非理想的影响越大。对于蓝牙的2.4ghz频率来说，当我们按照史密斯圆图推荐的匹配元件值焊接到pcb上，会发现得到的阻抗值并不是预期值，也就是说没有按照史密斯圆图上的圆轨迹（等电阻圆或等电导圆）移动到达预定阻抗点，有时甚至向相反的方向移动。
图13. 电阻，电感和电容的等效电路
l 蓝牙芯片端的射频阻抗（经过balun以后）都是依照50欧姆设计的，所以正常的pcb测量芯片端的阻抗应该就是在50欧姆左右，相应天线端依照50欧姆做匹配最简单。即使有时由于pcb layout原因或物料原因导致芯片端阻抗有些偏离50欧姆，我也是先把芯片端阻抗调整到50欧姆，然后再去做天线端匹配，从实践来看这样做走弯路和做无用功的几率要低，容易获得好的调试效果。
4.2 芯片端的阻抗调试
图14. sh87f8801的射频前端原理图
上图是我们sh87f8801芯片的射频前端电路，从中间（50欧姆阻抗参考点）分为左右两部分，右边是天线及其匹配电路，左边是芯片射频前端电路。按照上一小节所述，本来左边也要加一个π形匹配电路，但我们芯片外围已经有一个包含balun的射频前端电路，正常情况下从红叉处测得的芯片端阻抗就在50欧姆左右，如果遇到个别pcb由于layout原因或器件原因导致芯片端阻抗偏离50欧姆比较多，基本都可以通过调节射频前端电路里的l2和c24将阻抗拉回到50欧姆，所以对于sh87f8801来说芯片端的π形匹配电路不需要。
在调试芯片端的匹配的时候，每次更换不同值的元器件以后，既要用网络分析仪测量s11，也要用蓝牙测试仪测试芯片的接收灵敏度和发射功率。一般情况下随着s11的变好，芯片的接收灵敏度和发射功率也会变好，但到了一定程度，即使把s11曲线调节的再漂亮（深度更深，中心频点更准确），芯片的接收灵敏度和发射功率也不会再提高了，甚至会下降（两个指标都下降或其中一个指标下降），所以要选取一个平衡点，在这个平衡点上，s11曲线的中心频率基本在2.44ghz左右，2402mhz，2440mhz，2480mhz三个频点的s11值都在-10db以下，芯片的接收灵敏度和发射功率比标称值低1dbm以内就可以了。
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一般情况下我们是通过对π形匹配电路的调试来达到天线的阻抗在2.4ghz接近50欧姆，对于陶瓷天线等固定无法更改的天线是非常必要的。π形电路调试主要是基于史密斯圆图，如上一节所述，由于实际器件的非理想化，调试时不要过分迷信史密斯圆图的推荐电路，很多情况下最终匹配电路和推荐电路差别很大，不但元件值不同，甚至电路形式也不一样。
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l 塑料外壳也会对天线带来影响，它改变了天线附近的介电常数，并不完全是仿真计算里围绕pcb的空气层，其影响效果类似于增大接地层面积，会降低天线的谐振频率。大部分的产品都是有外壳的，所以这一影响在调试时必须要考虑进去。
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