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[参考译文] CC2652RB：BLE 蓝牙连接不稳定、如果范围超过5m、连接将断开

admin
Guru**** 2327180 points
Other Parts Discussed in Thread: CC2652RB, CC2640
请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/wireless-connectivity/bluetooth-group/bluetooth/f/bluetooth-forum/1487110/cc2652rb-ble-bluetooth-connection-is-unstable-and-if-it-exceeds-a-range-of-5m-the-connection-will-disconnect

器件型号：CC2652RB
主题中讨论的其他器件： CC2640

工具/软件：

一款具有蓝牙连接功能的嵌入式产品、MCU 是 CC2652RB (具有 BLE 功能、RF-P/RF-N 引脚)方案、BLE 蓝牙平衡-非平衡变压器电路设计如下图所示(ph.1)；


PCB 布局布线如下图(pg.2)所示；


*上述电路设计和 PCB 布局设计方案 以前已经在 PCB 上进行过测试,结果非常好, 没有问题。 BLE 蓝牙连接距离可以达到25m 或更远、连接非常稳定。

最近我尝试了再次生产此 PCB、为了控制平衡-非平衡变压器电路的阻抗保持在50 Ω、PCB 工厂调整了平衡-非平衡变压器电流布线的线宽[13mil (0.33mm)→4.3mil (0.1mm)]、光绘如下图(ph.3)所示：

可以看出、 平衡-非平衡变压器电路中箭头所示模式的布线宽度比 pH.2中的同一部分薄；
测试电路板后、发现配对和搜索器件相当困难。 即使与超过5米的距离配对、连接也会断开！
由于电路设计方案和 PCB 布局设计方案在原型设计上都经过验证 、没有出现任何问题、未对其进行修改或更改、这次将直接使用、 推测此次线宽调整会导致源阻抗和端子阻抗不匹配、导致 PCB 接线中大部分信号反射和发射能量损失、从而导致连接稳定性低下；
由于日程安排紧张、没有时间重新做 PCB。 我想咨询 TI 工程师和专家：
我的猜测是否正确？
是否有办法纠正这种情况？ 例如、如何调整平衡-非平衡变压器电路的电感或电容参数？
如果您有任何建议、请回复。 非常感谢 您的帮助！

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    TI__Guru**** 2327180 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    您好、

    感谢您的查询。 尽管较薄的布线改变射频路径的阻抗是正确的、但请记住、电路板层叠或是否存在接地平面会影响实际计算。 您可以使用在线计算器之一自行计算阻抗、如 Kicad 的阻抗计算器或 Saturn PCB 工具套件。

    如果电路板层叠差别很大、即使是平衡-非平衡变压器也必须重新匹配以补偿阻抗差异。 遗憾的是、平衡-非平衡变压器重新匹配所需的工作量相当大、因此我们的立场是保持参考设计中使用的电路板层叠。 如果唯一的变化是轨道的实际宽度,在我们的经验中,它们通常不足以严重影响无线电的性能。 我们的 CC13xx/CC26xx 硬件配置和 PCB 设计注意事项 应用手册的第4节重点介绍了其中的几个方面。

    鉴于新构建的电路板的性能不佳与旧电路板的性能形成了鲜明对比、我还会查看其他可能的因素：组装问题、例如焊接质量(尤其是在器件的接地焊盘上)、或具有明显不同规格或质量的辅助源器件。 很少出现的另一个因素是在此生产运行中装配了错误的零件。

    最后、我会对较旧和较新的产品执行传导测量、以对射频性能进行定量分析。 基频上的最大输出功率或谐波和杂散上的显著差异等方面证明了新构建是在原始规格之外完成的。 请记住、重大的射频变化可能需要对产品进行重新认证。

    希望这对您有所帮助、

    Rafael

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    TI__Guru**** 2327180 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    非常感谢您的答复和建议!
    实际上、正如您所说、线宽、电路板堆叠和接地层都会影响阻抗、因此今天我还 对 PCB 布局差异对阻抗的影响进行了一些验证。 实验内容详情如下：
    1.比较新旧 PCB 的布局差异
    由于新板是旧板的迭代产品、并且旧板上的 BLE 功能已验证正常(配对后通信距离高达32m)、因此仅根据旧板在 BLE 接线区域修改了平衡-非平衡变压器线宽、未进行其他更改。 请参阅下图以了解详细信息。 可以看出、两个 PCB 布局 注意事项几乎相同(类似于图4-2 )特别是在顶层和 GND 层、主要区别在于平衡-非平衡变压器电路的线路宽度不同；尽管 PWR 和 BOT 层布局不同、但它们的 GND 通过许多通孔与顶层和 GND 层连接、并确保 GND 连接。


    2.比较新旧印刷电路板之间安装组件的差异
    交换元件(L5、C27、C28、C35、L8、 L6、C32、L7、C30、C29 (总共10个)。 与更换前相比、新/旧 PCB 的 BLE 通信性能保持不变；由此可以推断出器件对通信性能没有影响、这意味着在生产过程中没有出现器件组装错误的情况；
    3.通过"新板 CC2652RB +旧板平衡-非平衡变压器电路和天线"的组合验证平衡-非平衡变压器线路宽度变化的影响
    从新板上的平衡-非平衡变压器电路上断开 CC2652RB 的 RF-P (引脚1)和 RF-N (引脚2)输出端子、并通过飞线将 RF-P 和 RF-N 连接到旧板的平衡-非平衡变压器电路输入端子(旧板未通电、仅使用其平衡-非平衡变压器电路和天线而非新板)。如下所示：

    测试后、新电路板在配对后的通信距离从最大5m 增加到32m (达到与旧电路板相同的水平)；

    从上面可以得出结论、影响新板 BLE 通信性能的主要因素是平衡-非平衡变压器电路 PCB 布局的布局。 虽然布局形状相同、但区别主要在于接线的不同线宽(在工厂生产过程中、为了调整50 Ω 阻抗匹配、线宽从13mil 改为4.3mil)、除了 PWR 和平衡-非平衡变压器层 BOT 电路周围的保护 GND 布局之外；虽然我也觉得有点难以置信、但可以根据实验结果推断出上述结论。
    目前、我们想知道的是、在现有新板的基础上、如果我们可以调整平衡-非平衡变压器电路上的电感和电容参数以适应平衡-非平衡变压器电路的阻抗特性、它还可以在一定程度上提高 BLE 通信距离(例如达到10m)并满足使用要求、从而减少调度和成本损失。 主要参考10个器件、包括 L5、C27、C28、C35、L8 L6、C32、L7、C30、C29 以及未组装的 C31和 C33；哪些特定参数对相对性能的影响更大？ 我们应该调整到更大还是更小？
    另外、我想提到的是、该产品是一款原型试用产品、尚未通过 BLE 认证、因此不会出现 RE 认证问题。
    非常感谢您的答复。
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    TI__Guru**** 2327180 points
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    您好、

    确实、您已执行了非常彻底的过程来确定此问题的根本原因。

    为了识别各种器件：平衡-非平衡变压器由 L5、L8、C28、C35组成(C27只是直流去耦电容器)、输出滤波器由 L6、L7、C31、C32组成、天线匹配为 C29、C33。

    我会执行的另一项测试是将新 PCB 的平衡-非平衡变压器的输出连接到旧板的滤波器输入(C31)、以便您可以进一步找出导致性能不佳的根本原因。 只需记住、电线本身会增加显著的电感、如果彼此靠近、还会增加电容。

    我先调整滤波器、使其更易于匹配、如果失谐、则可以对基频频段产生较大衰减。

    任何值调整都需要使用频谱分析仪或 VNA 在电路板上进行仿真或(最好是)直接测量。 许多变量会影响射频电路的性能、因此很难评估各个元件应具有的值。  

    希望这对您有所帮助、

    Rafael

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    TI__Guru**** 2327180 points
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    首先、感谢您花时间仔细阅读我撰写的内容、并为我提供富有洞察力的建议。 您对平衡-非平衡变压器电路中元件的说明非常简洁明了、您提到了如何首先调整滤波器、这正是我想要了解且非常有用的内容。 接下来、我将思考从这里开始尝试的具体步骤。
    您提到的另一个实验是将新 PCB 的平衡-非平衡变压器输出连接到旧板的滤波器输入(C31)、它可以进一步缩小问题根本原因的范围。 我将将新板的平衡-非平衡变压器、滤波器和天线匹配分为三个部分、并逐一进行研究。
    此外、我目前正在阅读两份技术文档 和 器件与射频技术相关、并希望进一步了解与平衡-非平衡变压器、滤波器和天线匹配相关的技术问题。
    我稍后会再来了解新的发展和线索。
    顺便说一句、正是因为 E2E 社区有像您这样的工程师可以面对面交流并认真对待问题、让我们能够更好地了解 TI 的产品并更方便地使用它们。 这也是我喜欢在日常工作中使用 TI 设计解决方案的一个重要原因、谢谢。
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    TI__Guru**** 2327180 points
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    您好、

    感谢您的赞誉和使用我们的产品。 希望您能找到适合您的设计的解决方案。

    此致、

    Rafael

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    TI__Guru**** 2327180 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。
    如您所述、在不使用 VNA 的情况下、实际上无法定量分析阻抗匹配并准确调整电路元件的参数、因此我们已经做了其他尝试、在不重新制作 PCB 的情况下解决该问题、并决定采用以下临时解决方案：
    由于它是开发测试的试用产品、我们放弃了使用 PCB 天线、而是使用由铜线制成的外部天线(如下图所示)。 BLE 通信距离已提高到10m 以上、从而满足临时调试要求。

    为了确定问题的根本原因、我们计划根据旧电路板的过程重新制作 PCB、以查看 BLE 通信性能是否有所提高。 *因为通过新旧电路板的比较,电路设计、元件参数和实际组装的元件完全一致,所以问题的原因仍然在于 PCB 本身。
    此外、我在旧电路板和新电路板上测试了元件 C30的信号、并发现新电路板的信号振幅在某种程度上小于旧电路板(如下图所示)。 我很好奇、如果这可以表明新电路板的阻抗失配更严重、损耗大于旧电路板、从而导致连接稳定性降低和通信距离缩短？ 由于我不知道正确的信号波形应该是什么样的、因此我无法确定这是否是原因。
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    TI__Guru**** 2327180 points
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    您好、

    在评估产品的最佳性能设计时、使用天线位置和形状进行的实验非常正常。 放置在电路板边缘的单极天线是一种常见的拓扑、可用于多种产品、即使它们只是印刷在 PCB 上也是如此。 如果您愿意尝试手工制作的电线、请记住、您甚至可以使用各种形状的钣金切割来获得更好的增益-自然情况下、需要在空间和机械间隙之间进行权衡。 下面的 EDA 软件制造商 Altium 提供的文章照片中提供了一个示例

    https://resources.altium.com/p/inverted-f-antenna-design-pcb

    对于波形、正确的说法是不匹配确实会导致射频输出振幅减小、并可能增加信号失真。 为了绝对确定这一点、如果您将器件连接到 SmartRF Studio、将其设置为传输连续未调制信号、则可以在频谱分析仪中评估这些影响。

    在实时示波器中对此进行测量可能会带来一些意外问题。 不仅示波器的带宽必须至少是目标信号的两倍(否则混叠和其他效应可能会影响波形)、请务必记住探测可能对射频路径产生的影响。 普通的10：1示波器探头通常具有几个 pF 的电容、这会对电路进行解调并降低信号质量。 考虑到这一点、很难绝对确定地说新电路板的幅度较低完全是由失配引起的。  

    另一个方面是、如果您评估定量辐照效应、则强烈建议使用一个无干扰通信的消声室。 否则、接收信号可能会受到该区域其他无线电通信的影响。

    以下是可能对您有帮助的两个参考：

    天线选择指南 AN058 (SWRA161) 应用手册

    距离估算器计算工具： https://www.ti.com/tool/download/RF-RANGE-ESTIMATOR

    希望这对您有所帮助、

    Rafael

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    TI__Guru**** 2327180 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    感谢您的具体 建议。它 可以帮助我更好地了解射频和天线。
    我之前在产品设计中使用了 SmartRF、并使用 TI 的 CC2640演示板和 SmartRF 进行了简单的 BLE 连接评估。
    我了解您通过示波器测试提到的潜在影响和不确定性、以及消声 室对外部噪声的隔离效应。
    此外、根据您之前的建议、我们进行了以下实验以进一步调查问题的原因：
    、Ω 将新电路板的平衡-非平衡变压器输出连接到旧电路板的滤波器输入(C31)；
    B、将新电路板的平衡-非平衡变压器+滤波器输出(L7)连接到旧电路板的天线匹配输入(C30)；
    C、将新电路板的平衡-非平衡变压器+滤波器+天线匹配输出(C29)连接到旧电路板的天线；
    D、将新电路板的平衡-非平衡变压器+滤波器+天线匹配输出(C29)连接到另一个新电路板的天线；
    上述 A、B、C 和 D 的实验结果表明、BLE 连接距离都可以达到约30m (与旧板相同的水平)、 连接性能和距离不会下降；但是、在实验过程中需要使用 FLY 导线连接不同的 PCB、可能 FLY 导线充当天线、并影响实验结果。
    与旧电路板相比、新电路板的天线尺寸完全相同、GND 间隙面积设计也相同、因此根本原因目前仍然不清楚；

    鉴于目前的情况、我可能会在下一个试验中采取保守的策略、

    ①The BLE 相关区域采用与旧电路板相同的 PCB 布局和制造工艺；

    ②Reserve 在结构上放置外部天线的位置；