基于2.4G频段WIFI模组通信性能的研究

姜义重，杨宏红，杨子豪

（珠海格力电器股份有限公司,广东珠海，519070）

0 引言

在智能家居发展越来越好的今天，更多的智能家居采用WIFI的通信方式，而WIFI模块的通信稳定性关乎着智能家居用户体验的好坏。影响WIFI模块通信质量的因素主要包含几个方面“芯片、天线、天线匹配电路”，而WIFI芯片的选择是根据成本、技术需求等方面确定的，在特定的WIFI芯片怎样才能达到最优的通信性能，是一个值得思考的问题。本文针对WIFI通信模组存在的问题入手，从WIFI模块的“天线、匹配电路”方面入手，采用仿真与实测相结合的手段，对WIFI模块进行性能评估以及针对存在的问题提出的整改方向。

1 问题描述

WIFI通信模组使用的产品，在场景使用中用户反馈存在掉线问题，使用的体验感不好，因此针对用户反馈进行了实验室条件下的WIFI模块性能指标核查。

1.1 WIFI模块传导指标的核查

WIFI模块按照信部无[2005]423关于发布《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》的通知要求指标的核查，核查情况如下表1所示。

图1 电路设计图与PCB设计图

表1 WiFi模块传到指标测试结果

通过传导指标核查，WIFI模块符合信部无[2005]423关于发布《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》。

1.2 WIFI辐射指标的核查

WIFI模块的辐射指标，在目前国内无强制性法规要求，但从用户的使用角度，WIFI模块的辐射指标切实关乎着智能产品通信稳定性的性能，因此辐射指标也至关重要，针对有源条件下辐射指标的核查情况如表2所示，针对无源条件下（带匹配阻抗）辐射指标的核查情况如表3所示。

表2 WiFi模块辐射指标测试结果（802.11b OTA测试）

表3 无源条件下辐射指标

WIFI通信模组的有源指标接收灵敏度偏低，无源指标远低于技术参考标准值，因此WIFI通信模组的性能较差，造成用户体验差的原因之一。

2 问题分析

针对WIFI通信模组的接收灵敏度较低，通过研究其PCB设计图（图2），其天线部分采用的是PCB印制的倒F天线[2]设计，其天线的匹配电路（图3）主要由两部分构成即匹配电阻R6以及低通滤波器电路

图2 WIFI通信模组的PCB图

图3 WIFI通信模组的匹配电路原理图

根据WIFI模块天线部分的构成，进行相应的拆解分析如下：(1)模块倒F天线部分的性能分析。(2)模块匹配电路的性能分析。通过以上方案的实施目的是以确定WIFI通信模组的问题所在，并给出相关的整改方案。

2.1 模块天线部分的性能分析

目前行业中对于天线性能，并无相应的强制指标确定其性能的好坏，而是根据行业内的做法确定相关的指标[3]，作为评价天线性能指标，具体指标如表4所示。其中，L为倒F天线臂的长度，λ为相应频段在空气中的波长：

表4 天线性能指标

2.1.1 天线长度指标分析

WIFI模块的天线部分如下图4所示，是由一个倒F天线构成，其天线的长度决定了天线对应的频段。

图4 倒 F 天线

根据公式（1）[4]、公式 (2) 以及公式（3）[4]:

LF:为天线在介质中传输的天线臂长

L：为在空气中传输的天线臂长

可计算出2.4G频段倒F天线的尺寸在16.5mm--32mm之间，对WIFI模块的天线部分经量测其尺寸满足天线长度技术要求。

2.1.2 天线仿真分析

针对WIFI模块的天线部分进行建模仿真及结果如下图5和图6所示。

表5 倒F天线仿真与实测结果

图5 倒F天线建模图形

图6 倒F天线建模仿真图形

经过分析，倒F天线部分的性能满足技术要求，性能较好。

2.2 模块匹配电路的性能分析

通过表4的数据和2.1部分倒F天线的性能综合分析，可知使模块天线效率与增益产生差异的原因在于匹配电路（图7），因此针对匹配电路进行分析如下：

图7 WIFI模块匹配电路

依据图3WIFI模块的线路设计以及图7 WIFI模块的PCB布局，制定差异分析策略，在阻抗匹配的情况下其S21的插入损耗为0，在不匹配的情况下其差异损耗会存在一定的差值，据此对8720芯片对应模块与竞品模块进行匹配电路差异分析，策略制定如下：

比对表1中8720芯片对应模块与竞品模块铜箔的S21损耗分别测量A-B、B-C、C-D三段传输线的损耗。

比对表1中8720芯片对应模块与竞品模块匹配阻抗R6以及传输线的插入损耗。

比对表1中8720芯片对应模块与竞品模块匹配阻抗R6、传输线以及低筒滤波器的插入损耗带来的影响。

按照以上策略分析测试S21结果如下。

表6 分析策略比对表

通过策略（3）的测试结果可知：WIFI通信模组其匹配电路插入损耗为-4.6dB左右，而竞品模块的插入损耗在1.4dB左右，其损耗值差异3dB，由3dB的差异在通过公式(4)。

可知WIFI通信模组的测试效率比竞品低50%，在表4中无源条件下（带匹配阻抗）辐射指标WIFI通信模组天线效率比竞品模块低50%左右。

至此WIFI通信模组对应的模块天线性能差的原因已经明确是由匹配电路带来的影响造成无源参数和有源参数的差异。

3 改善对策

通过以上数据的分析比对，确定是由匹配电路引起的WIFI通信模组天线性能差，改善对策。

3.1 临时方案

降低产品的发射功率，以提升接收灵敏度的值。临时方案验证结果如表7所示。

表7 整改前后TIS和TRP的比对结果（802.11b OTA测试）

通过以上数据验证，临时改善对策有效，但存在部分缺陷，如果TRP降低太大会造成配网成功率低。

3.2 长期对策

需要解决模块接受灵敏度差的问题，就需要修改模块匹配电路的设计，需要调整匹配电路的插入损耗以及匹配阻抗的阻值。

(1)调整电感：L1 电感值由2.2nH调整成2.4nH。

(2)增加电容：C23由空置，调整为0.9PF。

图8 阻抗匹配整改位置

针对以上整改方案进行验证结果如下：

整改后S参数的比对

更改前 更改后S21 -4.7dB -2dB

此外，整改前后TIS和TRP比对如表8所示。可见，更改后进行有源辐射功率、接收灵敏度测试，其接收灵敏度有较大改善，其中接收灵敏度在1Mb/s速率下提升20dBm差值，在11Mb/s也有所提高，并且自身干扰也有所降低。

表8 整改前后TIS和TRP的比对结果（802.11b OTA测试）

4 结束语

本文通过对WIFI通信模组的天线性能存在的问题进行了深入的分析，通过仿真的技术手段和实测对问题进行定位，同时针对定位的问题提出了相应的改善对策，为技术开发中对问题的分析定位有一定的指导意义。