基于2.4G頻段WIFI模組通信性能的研究

姜義重，楊宏紅，楊子豪

（珠海格力電器股份有限公司,廣東珠海，519070）

0 引言

在智能家居發展越來越好的今天，更多的智能家居采用WIFI的通信方式，而WIFI模塊的通信穩定性關乎著智能家居用戶體驗的好壞。影響WIFI模塊通信質量的因素主要包含幾個方面“芯片、天線、天線匹配電路”，而WIFI芯片的選擇是根據成本、技術需求等方面確定的，在特定的WIFI芯片怎樣才能達到最優的通信性能，是一個值得思考的問題。本文針對WIFI通信模組存在的問題入手，從WIFI模塊的“天線、匹配電路”方面入手，采用仿真與實測相結合的手段，對WIFI模塊進行性能評估以及針對存在的問題提出的整改方向。

1 問題描述

WIFI通信模組使用的產品，在場景使用中用戶反饋存在掉線問題，使用的體驗感不好，因此針對用戶反饋進行了實驗室條件下的WIFI模塊性能指標核查。

1.1 WIFI模塊傳導指標的核查

WIFI模塊按照信部無[2005]423關于發布《微功率（短距離）無線電設備的技術要求》的通知要求指標的核查，核查情況如下表1所示。

圖1 電路設計圖與PCB設計圖

表1 WiFi模塊傳到指標測試結果

通過傳導指標核查，WIFI模塊符合信部無[2005]423關于發布《微功率（短距離）無線電設備的技術要求》。

1.2 WIFI輻射指標的核查

WIFI模塊的輻射指標，在目前國內無強制性法規要求，但從用戶的使用角度，WIFI模塊的輻射指標切實關乎著智能產品通信穩定性的性能，因此輻射指標也至關重要，針對有源條件下輻射指標的核查情況如表2所示，針對無源條件下（帶匹配阻抗）輻射指標的核查情況如表3所示。

表2 WiFi模塊輻射指標測試結果（802.11b OTA測試）

表3 無源條件下輻射指標

WIFI通信模組的有源指標接收靈敏度偏低，無源指標遠低于技術參考標準值，因此WIFI通信模組的性能較差，造成用戶體驗差的原因之一。

2 問題分析

針對WIFI通信模組的接收靈敏度較低，通過研究其PCB設計圖（圖2），其天線部分采用的是PCB印制的倒F天線[2]設計，其天線的匹配電路（圖3）主要由兩部分構成即匹配電阻R6以及低通濾波器電路

圖2 WIFI通信模組的PCB圖

圖3 WIFI通信模組的匹配電路原理圖

根據WIFI模塊天線部分的構成，進行相應的拆解分析如下：(1)模塊倒F天線部分的性能分析。(2)模塊匹配電路的性能分析。通過以上方案的實施目的是以確定WIFI通信模組的問題所在，并給出相關的整改方案。

2.1 模塊天線部分的性能分析

目前行業中對于天線性能，并無相應的強制指標確定其性能的好壞，而是根據行業內的做法確定相關的指標[3]，作為評價天線性能指標，具體指標如表4所示。其中，L為倒F天線臂的長度，λ為相應頻段在空氣中的波長：

表4 天線性能指標

2.1.1 天線長度指標分析

WIFI模塊的天線部分如下圖4所示，是由一個倒F天線構成，其天線的長度決定了天線對應的頻段。

圖4 倒 F 天線

根據公式（1）[4]、公式 (2) 以及公式（3）[4]:

LF:為天線在介質中傳輸的天線臂長

L：為在空氣中傳輸的天線臂長

可計算出2.4G頻段倒F天線的尺寸在16.5mm--32mm之間，對WIFI模塊的天線部分經量測其尺寸滿足天線長度技術要求。

2.1.2 天線仿真分析

針對WIFI模塊的天線部分進行建模仿真及結果如下圖5和圖6所示。

表5 倒F天線仿真與實測結果

圖5 倒F天線建模圖形

圖6 倒F天線建模仿真圖形

經過分析，倒F天線部分的性能滿足技術要求，性能較好。

2.2 模塊匹配電路的性能分析

通過表4的數據和2.1部分倒F天線的性能綜合分析，可知使模塊天線效率與增益產生差異的原因在于匹配電路（圖7），因此針對匹配電路進行分析如下：

圖7 WIFI模塊匹配電路

依據圖3WIFI模塊的線路設計以及圖7 WIFI模塊的PCB布局，制定差異分析策略，在阻抗匹配的情況下其S21的插入損耗為0，在不匹配的情況下其差異損耗會存在一定的差值，據此對8720芯片對應模塊與競品模塊進行匹配電路差異分析，策略制定如下：

比對表1中8720芯片對應模塊與競品模塊銅箔的S21損耗分別測量A-B、B-C、C-D三段傳輸線的損耗。

比對表1中8720芯片對應模塊與競品模塊匹配阻抗R6以及傳輸線的插入損耗。

比對表1中8720芯片對應模塊與競品模塊匹配阻抗R6、傳輸線以及低筒濾波器的插入損耗帶來的影響。

按照以上策略分析測試S21結果如下。

表6 分析策略比對表

通過策略（3）的測試結果可知：WIFI通信模組其匹配電路插入損耗為-4.6dB左右，而競品模塊的插入損耗在1.4dB左右，其損耗值差異3dB，由3dB的差異在通過公式(4)。

可知WIFI通信模組的測試效率比競品低50%，在表4中無源條件下（帶匹配阻抗）輻射指標WIFI通信模組天線效率比競品模塊低50%左右。

至此WIFI通信模組對應的模塊天線性能差的原因已經明確是由匹配電路帶來的影響造成無源參數和有源參數的差異。

3 改善對策

通過以上數據的分析比對，確定是由匹配電路引起的WIFI通信模組天線性能差，改善對策。

3.1 臨時方案

降低產品的發射功率，以提升接收靈敏度的值。臨時方案驗證結果如表7所示。

表7 整改前后TIS和TRP的比對結果（802.11b OTA測試）

通過以上數據驗證，臨時改善對策有效，但存在部分缺陷，如果TRP降低太大會造成配網成功率低。

3.2 長期對策

需要解決模塊接受靈敏度差的問題，就需要修改模塊匹配電路的設計，需要調整匹配電路的插入損耗以及匹配阻抗的阻值。

(1)調整電感：L1 電感值由2.2nH調整成2.4nH。

(2)增加電容：C23由空置，調整為0.9PF。

圖8 阻抗匹配整改位置

針對以上整改方案進行驗證結果如下：

整改后S參數的比對

更改前 更改后S21 -4.7dB -2dB

此外，整改前后TIS和TRP比對如表8所示。可見，更改后進行有源輻射功率、接收靈敏度測試，其接收靈敏度有較大改善，其中接收靈敏度在1Mb/s速率下提升20dBm差值，在11Mb/s也有所提高，并且自身干擾也有所降低。

表8 整改前后TIS和TRP的比對結果（802.11b OTA測試）

4 結束語

本文通過對WIFI通信模組的天線性能存在的問題進行了深入的分析，通過仿真的技術手段和實測對問題進行定位，同時針對定位的問題提出了相應的改善對策，為技術開發中對問題的分析定位有一定的指導意義。