接上一篇，我們繼續來介紹關于SH87F8801 2.4G藍牙天線設計和調試：

四．“倒F”天線的調試

4. 1 匹配調試方法

天線的匹配調試簡單來說就是要確保在藍牙LE的工作頻帶內，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. 匹配調試的參考圖

當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部相同，虛部相反互相抵消，這樣匹配調試只要調一邊（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兩邊的阻抗。但從我自己的大量實踐來看，把兩邊都調成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匹配電路的結構形式和參考元件值，而實踐中阻抗測試的結果非常準是有難度的，網絡分析儀的校準，同軸線材，饋點位置和接地焊接等因數都會影響測量結果的真實性，感覺阻抗的虛部誤差會比較大。

l 實際的電阻，電感，電容器件都是非理想的，從等效模型上看都相當于R，L，C的串并聯組合，應用頻率越高，非理想的影響越大。對于藍牙的2.4GHz頻率來說，當我們按照史密斯圓圖推薦的匹配元件值焊接到PCB上，會發現得到的阻抗值并不是預期值，也就是說沒有按照史密斯圓圖上的圓軌跡（等電阻圓或等電導圓）移動到達預定阻抗點，有時甚至向相反的方向移動。

圖13. 電阻，電感和電容的等效電路

l 藍牙芯片端的射頻阻抗（經過Balun以后）都是依照50歐姆設計的，所以正常的PCB測量芯片端的阻抗應該就是在50歐姆左右，相應天線端依照50歐姆做匹配最簡單。即使有時由于PCB layout原因或物料原因導致芯片端阻抗有些偏離50歐姆，我也是先把芯片端阻抗調整到50歐姆，然后再去做天線端匹配，從實踐來看這樣做走彎路和做無用功的幾率要低，容易獲得好的調試效果。

4.2 芯片端的阻抗調試

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）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。按照上一小節所述，本來左邊也要加一個π形匹配電路，但我們芯片外圍已經有一個包含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，如果遇到個別PCB由于layout原因或器件原因導致芯片端阻抗偏離50歐姆比較多，基本都可以通過調節射頻前端電路里的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。

在調試芯片端的匹配的時候，每次更換不同值的元器件以后，既要用網絡分析儀測量S11，也要用藍牙測試儀測試芯片的接收靈敏度和發射功率。一般情況下隨著S11的變好，芯片的接收靈敏度和發射功率也會變好，但到了一定程度，即使把S11曲線調節的再漂亮（深度更深，中心頻點更準確），芯片的接收靈敏度和發射功率也不會再提高了，甚至會下降（兩個指標都下降或其中一個指標下降），所以要選取一個平衡點，在這個平衡點上，S11曲線的中心頻率基本在2.44GHz左右，2402MHz，2440MHz，2480MHz三個頻點的S11值都在-10dB以下，芯片的接收靈敏度和發射功率比標稱值低1dBm以內就可以了。

4. 3 天線端的匹配調試

一般情況下我們是通過對π形匹配電路的調試來達到天線的阻抗在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形電路調試主要是基于史密斯圓圖，如上一節所述，由于實際器件的非理想化，調試時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，它的結構，形狀和尺寸都可以任意變更，僅調整自身就可達到良好的阻抗匹配，理論上可以實現與芯片端的直連，不需要π形匹配電路。基于3.2.3節所述，仿真軟件設計出的PCB天線已經是50歐姆阻抗了，那還需要進行匹配調試么？答案是需要的，基于以下幾個原因：

l 仿真建模是實物的一個模擬近似，不可能100%相同，另外PCB的加工精度，材料等都會有差異，所以天線性能的仿真結果與實測結果之間會有一定的差異。

l 天線接地層的變化對性能影響很大，如3.2.2節所述，倒F天線可以看做是一個LC諧振器，當L或C增加時，該LC諧振器的諧振頻率會下降。接地層面積的增加相當于增大容值，天線的諧振頻率會變低。這一規律對模塊上的天線設計的影響尤其大，因為模塊不是獨立使用的，最終都要焊在一個底板上，等于變相增大了接地層面積，所以模組上的藍牙天線設計時要預留一定偏差，S11中心點要比2.44GHz偏高大約50~200MHz，底板面積越大，需要預留的偏差越大。

l 塑料外殼也會對天線帶來影響，它改變了天線附近的介電常數，并不完全是仿真計算里圍繞PCB的空氣層，其影響效果類似于增大接地層面積，會降低天線的諧振頻率。大部分的產品都是有外殼的，所以這一影響在調試時必須要考慮進去。

針對接地面積和塑料外殼的影響，我們用兩個實例來說明天線調試的過程。

實例1，一款SH87F8801的藍牙模塊，模塊的天線區域大小是6*16mm，這個尺寸不足以放置2.3小節所述的經典倒F天線，我們將經典倒F天線的發射臂彎折，根據模塊的尺寸（22.5*16mm）進行了仿真設計，最終圖形如下圖左。

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

由于尺寸的限制，這次仿真設計在天線性能上做了一些妥協，只保證了諧振點和輸入阻抗，帶寬這塊損失比較多，不足100MHz，仿真結果如下圖。

圖16.模塊V1.0天線的設計仿真S11圖

實測單獨模塊的天線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，趁這次改版的機會把天線做了調整，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，天線的諧振頻點被抬高到2.54GHz，當模塊被焊到底板上，天線諧振頻點被拉低，諧振頻點重新回到2.44GHz，如下圖所示。

圖18.評估板上的模塊V2.0天線測試

實例2，一款SH87F8801的藍牙語音遙控器，采用了2.3小節所講的“蛇形倒F”天線，設計之初考慮到遙控器塑料外殼的影響，預先把蛇形倒F天線截短了（去掉了蛇形的最后一節線段），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）

裝成整機后實測天線的諧振頻點還是有點偏低，將天線再截短1mm后諧振頻點基本對準2.44GHz，PCB按照這個改版。

圖20.遙控器整機的天線S11圖（左為修改前，右為修改后）

4. 4天線的驗證

以上天線的調整效果還是基于網分的測試，還必須在實際應用中進行檢驗。我的經驗是可以從兩個方面來做對比：

l 近距離效果：手機靠近藍牙模塊的天線，用BLE的APP測試RSSI值。同等條件下，新舊模塊在手機上顯示的RSSI值相差5~10dB，效果提升明顯。

l 遠距離效果：在空曠地帶測試藍牙模塊與手機之間的通訊距離。目前新模塊最遠距離超過了100米，比之前有很大進步。藍牙語音遙控器更改過天線后，藍牙語音的傳送距離（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，后期通過改變發射臂長度的辦法來調整諧振頻點比較容易。

結構允許的情況下，倒F天線在PCB上放置時離芯片越近越好，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，還有可能會用于諧波的抑制，CE，FCC等無線電子產品的認證中有這項測試，萬一諧波測試不過還有補救的手段。