近年来,桌面计算机附带Wi-FiBluetooth®功能的比例逐渐提高,其优点是不被Ethernet(线材LAN)连接限制摆放位置,并且可以随时与Wi-Fi、蓝牙装置进行联机,让桌面计算机的便利性提高。

在市场上,高阶定位的主板附带Wi-FiBluetooth的网卡是非常常见的,虽然可以让使用者更便利,但在ODM的开发难度与成本则会提高,主流的桌面计算机开发厂商的RD背景为电子专长,而较大型的开发厂商会有专门的RF工程师团队进行射频相关设计与测试与整合,同时让有线信号(LAN)与无线信号(Wi-Fi/Bluetooth)的电路保持一定通讯质量。

各式桌面计算机,隐藏式天线或外接式天线

本篇文章主题探讨为ODM所设计的小型桌面计算机,如遇到吞吐量(Throughput)达不到规格时,ODM商可透过百佳泰与天线厂商三方进行讨论合作的案例。从基本设计规格、天线设计、硬件电路布局、机构设计到驱动程序确认,多个方向同时下手一一排除问题,经验来看,过往发生状况通常都是多个小问题累积起来造成的,若只针对单一或两个问题排解处理,最终在Throughput测试时可能得不到明显改善,此篇文章也将以Wi-Fi通讯质量问题的实例进行分析与介绍。

一般RF Performance Debugging,遵照一定顺序进行确认,可减少找问题时的错误方向机率。百佳泰提供步骤参考如下:

1.进行原始状态Throughput测试数据(即Baseline数据),做为后续修改比较资料。

2.确认基本软件、韧体与OS相关是否正确,或存有已知问题作为判断,可参考以下范例。

◈设备管理器不可出现黄色惊叹号(Yellow Bang),惊叹号代表该装置的驱动程序安装不完全,处于非正常工作状态,可能发生以下情况:

①网络适配器:使用者无法确定状态是否正常,可能造成Throughput或联机等问题。
②显示适配器:因驱动装置不完整,可能造成显示适配器频率变动或者一直处于全功率状态,进而对Wi-Fi/Bluetooth频段造成干扰影响。
USB装置:USB 3.x差分信号频率为2.5GHz,会对Wi-Fi/Bluetooth产生干扰,当未使用时,工作状态需确时关闭,避免影响Wi-Fi/Bluetooth性能。

3.确认天线性能是否符合需求,若未符合就需要进行微调,因为天线是最直接影响高频性能的零件,若天线的操作频率偏移,Throughput数据与传输接收距离随即变差,故需要确认VSWR、Isolation(隔离度)性能参数,或者进一步确认天线场型(Antenna Pattern)。

4.确认噪声(Noise)问题,所谓噪声即是通讯系统不需要的讯号都可称为噪声,噪声包含非该传输系统的标准化讯号、热噪声、频率讯号等,例如Wi-Fi与Bluetooth在同个频率下同时工作,两者互为对方的噪声,噪声会导致Throughput与传输接收距离变差,通常噪声透过两种路径来影响整个系统,分别为:辐射性传导(Radiation)、接触性传导(Conductive)。

◈ 辐射噪声干扰(Radiation) ,可能造成的原因如下:
① 确认机构金属屏蔽密合度,是否因结构开孔与缝隙造成噪声泄漏而影响到天线。
② 确认产品内部那些零件噪声辐射强度较高,可进行屏蔽处理。(e.g. 覆盖金属屏蔽、金属胶带)。

◈ 接触性传导噪声干扰(conductive),可能造成的原因如下:
① 噪声透过电路板上的传输线、零组件传输至每个区块或空间。

【状况排解指导案例】以下为百佳泰按照顺序确认,一步一步将问题排除的案例分享

1.待测物原始状态Throughput测试数据(即Baseline数据):

下表为厂商Wi-Fi吞吐量(Throughput)规格,以及第一次原始机台Throughput测试。

以客户定义的规格与测试项目看,于2.4GHz Band标示黄色底色RXFail的,标示红字Fail数据在20m距离规格最多差了42.3Mbps,100m距离规格最多差了31.8Mbps。

接下来先检查系统软件与驱动等,是否版本正确与安装确实。

2.软件、系统版本与驱动确认

经确认Windows版本正确,以及任务管理器列表,并没有黄色惊叹号,代表各硬件装置的驱动程序没有问题,接下来确认天线(Antenna)部分。

3.天线(Antenna)确认

在硬件方面,需先确认产品天线的VSWRIsolation状况,这两个天线性能的量测方式简单,可快速检视天线基础性能。

➱ VSWR(电压驻波比)

可快速量测出天线搭配待测物机构的操作频率是否翩移,一般业界VSWR标准需小于2,数值越接近1,可取得较好的天线特性。

➱ Isolation(隔离度)

Isolation特性量测皆发生于复数天线以上产品才需要量测,目的在于判断收发讯号时,天线间互相影响,造成整体RF特性下降,一般业界Isolation标准通常约约 -20~-30dB,当值越小代表隔离度越好。

可以使用网络分析仪(Network Analyzer)确认天线的VSWRIsolation性能数据。

➱VSWR

Main 2.4GHz频带的2.5GHz频率VSWR 4.49(红字标示)比较差,再从曲线图中可得知天线操作频带往低频偏移了,这影响了2.4GHz频带的Throughput,但客户因物料管控问题于现阶段不能对天线结构进行调整,只能针对机壳做修改。所以我们接下来确认Isolation数据,确认是否能有所改善。

➱Isolation

Isolation于2.4GHz与2.5GHz频率分别为-11.23与-14.9Db(红字标示),一般业界标准为-20dB,而量测数值比一般业界标准偏差了将近10dB,故Isolation也需要进行改善。

主要影响Isolation特性的是:两天线的间隔距离以及极化两个因素,从产品外观可发现两天线都在前墙且距离仅3公分左右(下图左),而两天线摆放已经有错开极化,故判断Isolation恶化可能是距离过近造成。为了验证此假设,透过两天线中间放置隔离材料(下图左)),仿真提高两天线隔离度的实验。

使用网络分析仪(Network Analyzer,NA进行无隔离材料、隔离材料(铜箔与吸波材)

的Isolation量测。发现加入隔离材料后2.4GHz Isolation从-12.23dB改善至-14dB、2.5GHz Isolation从-14.9dB改善至-16.5dB(下图右)。

接下来进行Throughput验证比较,由下表可看出只要加入隔离材料Channel 1 20m 23.05Mbps改善至37.52 ~ 47.38Mbps,100m从6.5Mbps改善至11.24~18.32Mbps,改善Isolation确实可提高Throughput数据。

经过以上的Isolation优化与Throughput验证,证明两天线距离太近的假设是正确的,百佳泰与客户立即讨论更改天线位置,从前墙双天线改为前后墙各一个天线来改善Isolation问题,以下为天线新位置示意图与Throughput测试数据比较。

修改好天线一前一后的待测物,进行Throughput测试如下:

更改天线位置后,throughput数据明显改善,RX(黄色底色)Channel 1 20m从27.73改善至74.07得到Pass,其他Channel与距离也都得到提升。从以上的实验与天线设计变更,天线本体与布局设计的好坏,会直接影响Throughput测试结果。不好的天线设计会让终端使用者感受到并带来客诉机率与影响品牌市场口碑。

你们可能已经发现Throughput RX Channel 1 100m、Channel 11 20m与100m的数值仍是Fail,特别是高衰减100m的数值仅16.69~19.44Mbps,只有SPEC的一半不到,但TX的数值却非常好。这种现象通常都是噪声干扰造成,所以在下集中,我们将进行步骤4RF Performance Debugging:噪声量测与除错,让制造商与设计者能更了解产品设计时RF所需要注意的地方。

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