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

四．“倒F”天線的調(diào)試

4. 1 匹配調(diào)試方法

天線的匹配調(diào)試簡單來說就是要確保在藍(lán)牙LE的工作頻帶內(nèi)，從芯片端看向天線的阻抗是50歐姆，從天線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)踐來看，把兩邊都調(diào)成50歐姆阻抗做匹配這種方法更簡單和更可靠，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)，同軸線材，饋點(diǎn)位置和接地焊接等因數(shù)都會(huì)影響測量結(jié)果的真實(shí)性，感覺阻抗的虛部誤差會(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。對于藍(lán)牙的2.4GHz頻率來說，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，也就是說沒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Balun以后）都是依照50歐姆設(shè)計(jì)的，所以正常的PCB測量芯片端的阻抗應(yīng)該就是在50歐姆左右，相應(yīng)天線端依照50歐姆做匹配最簡單。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，然后再去做天線端匹配，從實(shí)踐來看這樣做走彎路和做無用功的幾率要低，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，所以對于SH87F8801來說芯片端的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)分析儀測量S11，也要用藍(lán)牙測試儀測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)稱值低1dBm以內(nèi)就可以了。

4. 3 天線端的匹配調(diào)試

一般情況下我們是通過對π形匹配電路的調(diào)試來達(dá)到天線的阻抗在2.4GHz接近50歐姆，對于陶瓷天線等固定無法更改的天線是非常必要的。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。

對于PCB天線來說，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。基于3.2.3節(jié)所述，仿真軟件設(shè)計(jì)出的PCB天線已經(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，所以天線性能的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間會(huì)有一定的差異。

l 天線接地層的變化對性能影響很大，如3.2.2節(jié)所述，倒F天線可以看做是一個(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，天線的諧振頻率會(huì)變低。這一規(guī)律對模塊上的天線設(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)對天線帶來影響，它改變了天線附近的介電常數(shù)，并不完全是仿真計(jì)算里圍繞PCB的空氣層，其影響效果類似于增大接地層面積，會(huì)降低天線的諧振頻率。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。

針對接地面積和塑料外殼的影響，我們用兩個(gè)實(shí)例來說明天線調(diào)試的過程。

實(shí)例1，一款SH87F8801的藍(lán)牙模塊，模塊的天線區(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，我們將經(jīng)典倒F天線的發(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（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天線的設(shè)計(jì)仿真S11圖

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

圖17.評估板上的模塊V1.0天線測試

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

圖18.評估板上的模塊V2.0天線測試

實(shí)例2，一款SH87F8801的藍(lán)牙語音遙控器，采用了2.3小節(jié)所講的“蛇形倒F”天線，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天線截短了（去掉了蛇形的最后一節(jié)線段），如下圖左所示。

圖19.遙控器板上的PCB天線（左為修改前，右為修改后）

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

圖20.遙控器整機(jī)的天線S11圖（左為修改前，右為修改后）

4. 4天線的驗(yàn)證

以上天線的調(diào)整效果還是基于網(wǎng)分的測試，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)方面來做對比：

l 近距離效果：手機(jī)靠近藍(lán)牙模塊的天線，用BLE的APP測試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)距離超過了100米，比之前有很大進(jìn)步。藍(lán)牙語音遙控器更改過天線后，藍(lán)牙語音的傳送距離（無卡頓，無丟字）明顯增加。

PCB空間足夠的情況下最好使用經(jīng)典倒F天線，雖然占用的面積大一些，但它性能好，帶寬余量大，后期通過改變發(fā)射臂長度的辦法來調(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不良或太長帶來的阻抗失配和信號損耗。

另外天線端的π形匹配電路最好保留，除了方便S11測試外，還有可能會(huì)用于諧波的抑制，CE，F(xiàn)CC等無線電子產(chǎn)品的認(rèn)證中有這項(xiàng)測試，萬一諧波測試不過還有補(bǔ)救的手段。