双频WiFi和蓝牙之间的天线是如何复用的？
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Dec 26, 2024
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无线通信
蓝牙
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本篇笔记尝试更完整的理解和回答以下三个与射频天线复用相关的问题：
- 所有WiFi和蓝牙芯片的射频模块都有收发数据的功能，那么其收发功能是如何通过一根天线来实现的？如何避免同时收发所造成的冲突？
- 部分2.4GHz WiFi+蓝牙的Combo模块，使用一根天线既可以用于WiFi，又可以用于蓝牙，那么WiFi和蓝牙如何共享同一根天线，并且不会产生？
- 双频WiFi支持2.4GHz和5GHz频段，部分模块可以支持2.4GHz和5GHz频段共用一根天线，但是2.4GHz和5GHz波段的波长差了一半多，如何保证一根天线在2.4GHz和5GHz频段都有比较好的射频性能？
WiFi/蓝牙天线的收发复用问题
其实在WiFi和蓝牙上使用一根天线收发根本就不成问题，因为WiFi和蓝牙的TX和RX通信本质上是半双工的，根本就不可能同时进行收发。也就是说，TX和RX打开的时间肯定是错开的，所以对于WiFi和蓝牙的收发天线复用而言，根本就不会存在冲突的问题。
对于BLE而言，其连接状态下的通信逻辑如下图所示：
每个connection event，总是从Central设备打开TX发送数据包，Peripheral设备打开RX等待接收数据包开始通信。Central设备发出数据包以后打开RX等待接收应答，而Peripheral设备在在收到Central的数据包以后，打开自己的TX发送应答数据包。
对于广播模式也是如此，Peripheral设备在广播信道总是先打开TX发出广播包，然后切换到RX等待接收Central设备所发出的连接请求包；而Central设备每次建立连接之前，也总是先到广播信道打开自己的RX监听广播包，收到Peripheral设备的广播包以后再切换到TX给其发出连接请求。
因此，对于Central设备和Peripheral设备而言，其数据包的收发总是严格按照时序错开，这样才能正常进行数据包的接收和发送。对于这两端设备的RF模块而言，肯定不存在TX和RX需要同时打开的情况。
WiFi也是类似，WiFi对于无线媒介使用的协商基于CSMA-CA的机制，当源站要发出数据包的时候，首先要通过RX对当前的无线信道进行监听，监听当前信道处于空闲状态下，再延迟一定的时间（SIFS/PIFS/DIFS），然后发出自己的数据包；而目的站在收到数据包以后，延迟一定的时间（SIFS）发出自己的应答包。在以上的源站和目的站发出数据包和应答包的时间内，当前的无线媒介就处于占用的状态（NAV）下。如果这个时候其他站有数据要收发，必须要等待一段时间后重新监听媒介，然后在争用窗口的时间内尝试打开TX发出自己的数据包。
以上的这个过程中，每个站要打开TX向无线媒介发出数据包之前，都必须先打开RX监听无线媒介是否处于空闲的状态下，在确定无线媒介空闲的情况下才会打开自己的TX去发送数据。
实际上，每个站在打开TX发送数据包的过程中，它自己是没法知道此时是否有其他站在相同信道同时发送数据从而发生了无线射频冲突（这也是在无线通信中无法使用CSMA/CD，而必须采用CSMA/CA的原因所在），所以只能在每次发出一个数据包以后等待对端发回应答ACK才能确认本次通信是否成功。如果没有收到ACK就认为这个包丢失了需要重传。
按照以上工作逻辑，对于每个WiFi站而言，它的收发控制也都是错开的，即使要发送数据，也一定是先通过RX监听当前无线媒介没有冲突时才打开TX开始发送的。
总之，对于WiFi和蓝牙通信而言，其收发是不可能同时进行的，那自然就可以通过开关对TX/RX进行控制切换，在需要接收数据的时候打开RX，在需要发送数据的时候打开TX，两者不可能产生冲突。
实际上，对于所有的采用时分机制来进行收发双工通信的无线通信方式都是如此，收和发本质上是半双工的，不可能同时进行，也没有办法在发出信息的同时监听是否发生了无线信号的冲突和碰撞，所以只能依赖于对端发回的ACK来确认通信是否成功。
下面一个简化的无线收发器控制RX和TX切换的框图：RX接收无线信号走LNA通路，TX发送信号走PA通路。
当无线收发器处在发射状态时，功率检波器会检测到无线收发器发出的信号，从而产生开关切换信号以控制RF开关打向发射PA通路，LNA电路被断开，双向功率放大器处在发射状态，此时TX的信号通过天线向外发射。当无线收发器处在接收状态时，功率检波器由于定向耦合器的单方向性而基本没有输入信号，这时通过开关切换信号将RF开关切换到LNA通路，PA通路断开，此时双向功率放大器处在接收状态，RX从天线接收射频信号送入LNA通路进行处理。
因此，从以上框图上可以看出，RX和TX总是处于自动切换的状态，需要发送数据时打开TX切换到PA通路，需要接收数据时切换到RX打开LNA通路，如此切换也就不存在收发同时的冲突问题。
参考资料：
2.4GHz频段WiFi与蓝牙之间的天线复用问题
部分WiFi+蓝牙Combo的模块，同时包含了WiFi和蓝牙功能，也自然分别包含了蓝牙和WiFi各自的射频电路，但是可以共用相同的2.4GHz天线。例如下图是高拓的2.4GHz单频WiFi6+蓝牙方案6461。问题是：
- 蓝牙和WiFi同时通信的时候，如果两者都有数据要接收的话，天线接收的数据到底是给WiFi还是给蓝牙呢？
蓝牙和2.4GHz WiFi共享一根天线和射频电路用于进行通信，需要依赖PTA或者EECI的机制。
PTA
PTA（Packet Traffic Arbitration）是一种数据包流量仲裁机制，用于协调蓝牙和WiFi设备共享同一射频电路时的工作状态，以尽量减少两者在2.4GHz频段上的相互干扰。
802.15.2规范中定义了蓝牙和WiFi共享天线的情况下，双方进行数据包流量仲裁的框架。在该框架定义中，WiFi和蓝牙对于RF以及天线的使用通过一个仲裁器来进行管理，当两者需要使用RF的时候，分别通过PIN脚向仲裁器提出申请，由仲裁器来决定由哪一方来使用RF和天线。因此在这种WiFi和蓝牙共存的情况下，其无线通信的效率和稳定性等表现就取决于仲裁器的实现方式、运行逻辑以及从两端可以获取的信息。
PTA的具体实现上，一般是把PTA仲裁器模块放在WiFi芯片内部，WiFi芯片和蓝牙芯片通过专门的PTA引脚来交换当前的状态并发起申请。802.15.2建议使用三线制的PTA通信结构，但具体实现上也有二线和四线的方式。
以下是WiFi和蓝牙芯片之间共享RF和天线的典型PTA连接示意图。PTA连接采用标准的三线制：BT_PRIORITY_AND_STATUS，BT_ACTIVITY，WLAN_ACTIVITY。
- WLAN_ACTIVITY：也称为GRANT引脚，由WiFi芯片向蓝牙发出信号。当WiFi不需要使用RF和天线的时候，可以通过这个引脚通知蓝牙芯片，蓝牙芯片此时就可以向PTA仲裁器发起申请使用天线进行蓝牙数据收发。
- BT_ACTIVITY：也称为REQUEST引脚，由蓝牙芯片向PTA仲裁器发出请求信号。当蓝牙有数据要收发时，通过这个引脚向PTA仲裁器主动发起请求申请使用天线，PTA仲裁器收到请求以后根据自身内部的控制逻辑决定应该由蓝牙还是WiFi来使用天线。
- BT_PRIORITY_AND_STATUS：也称为PRIORITY引脚，由蓝牙芯片发出信号表示当前蓝牙要收发的数据是高优先级还是低优先级。与REQUEST引脚配合使用，通过该引脚表征蓝牙芯片要收发数据的优先级，PTA仲裁器依据这个优先级决定天线使用的归属逻辑。
所以本质上，PTA机制就是在wifi芯片内置一个PTA仲裁器，WiFi芯片和蓝牙芯片通过Grant、Request以及Priority引脚来通知和协商各自对于2.4G RF和天线的使用需求，然后最终由PTA仲裁器来决定天线使用的归属权，这样就可以避免WiFi和蓝牙同时使用天线所可能造成的无线冲突的问题。
PTA最大的问题是三个引脚通过高低电平来传递信息，所能够携带的信息量太少了，只包含了请求、状态、数据优先级等少量的信息，这些信息对于PTA仲裁器做出高效的判决是远远不够的，所以为了在两者之间分享更多的信息来辅助PTA仲裁器实现更高效率的天线控制，可以采用ECI或者SECI机制。
SECI
SECI就是串行增强型共存接口（Serial Enhanced Coexistence Interface），实际上是Cypress定义的一种基于串口UART通信的2.4GHz射频与天线的共存协商接口和协议，广泛应用于Cypress的WiFi和蓝牙产品中。
在具体的应用中，SECI采用串口UART在蓝牙和wifi芯片之间传输仲裁所需要的信息，最多可以通过串口交换64bit的信息，远远超过了PTA机制下的三线通信所提供的3bit信息。因此可以辅助做出更高效的RF与天线在两者之间复用的决策。
- 当然因为SECI是Cypress定义的私有协议，所以对于要采用SECI在WiFi和蓝牙之间共享天线的情况下，最好是能够同时采用Cypress的wifi和蓝牙芯片。
总而言之，无论是PTA也好，SECI也好，本质上都是一种在蓝牙和WiFi之间对于RF和天线共存的分时使用机制。WiFi和蓝牙通过某种通信机制交换双方的状态信息、通信需求、数据优先级、时序等方面的信息，由仲裁器决定应该由哪一方使用天线。因此无论如何，在一个时间点上肯定是只有一方能够使用天线。这样势必会造成对于两方通信实时性和吞吐率的影响，只不过在仲裁器的协助下，可以最大程度上降低通信过程中产生无线冲突的概率。
WiFi+BT Combo
以上所讨论的PTA以及SECI机制，都是针对在独立的WiFi芯片和独立的蓝牙芯片之间共享同一个天线进行通信，而如果要提升通信效率，更好的做法实际上上选择把WiFi和蓝牙内包在一起的Combo模块，在这种情况下，蓝牙和wifi在同一个芯片内部，其状态信息可以得到充分共享，不需要依赖于外部的PTA和SECI接口，这样对于RF和天线资源在两者之间调度就可以做得更高效。实际上这种方式才是目前在应用方向上的主流，不少wifi芯片直接就已经内包了蓝牙功能，不需要通过外部接口来进行天线使用上的协商，直接在芯片内部处理好了，例如高拓的6461内包了WiFi和蓝牙，因此直接在芯片内部对于wifi和蓝牙共享天线做好了支持，这样的方式就比外部PTA和SECI连接效率高很多：
结论
对于2.4GHz频段的WiFi与蓝牙之间共享一根天线进行数据收发的情况，存在多个方案，PTA，ECI，SECI以及Combo Module，但是其本质上都是大同小异。两者对于天线的共享都要依赖于其中包含的仲裁器，wifi和蓝牙需要使用天线的时候向仲裁器申请，仲裁器根据双方数据通信的优先级进行分配，同一时刻肯定是只有WiFi或者蓝牙的一方具有天线的使用权。
因此，仲裁器的存在，以及WiFi和蓝牙对于天线使用权的竞争，多少会影响各自数据通信的吞吐率，影响的大小就要取决于仲裁器的运行逻辑。
参考资料
2.4G/5GHz双频WiFi的天线复用问题
目前的双频WiFi模块，能够支持2.4GHz和5GHz频段的WiFi通信，在该模块的电路设计中，同样存在两个WiFi频段的天线复用问题，即2.4GHz和5GHz频段的射频电路使用同一个天线，通过开关对天线的使用进行匹配。例如高拓的双频WiFi 6132：
那么问题是：
- 复用逻辑问题：与以上的蓝牙和2.4GHz WiFi复用天线的问题类似。WiFi 2.4GHz和5GHz频段在使用的时候，如果两个频段同时有数据发送的话，可以把数据先缓存在buffer中，然后通过开关切换依次把各自buffer中的发送出去，但是对于接收而言，两个频段如果同时有数据要接收的话，天线切换到2.4GHz的时候，5GHz频段的数据肯定就丢包了。这个问题是如何处理的？
- 复用性能问题：2.4GHz和5GHz的天线性能问题。天线的长度与波长相关，2.4GHz和5GHz的频率差了一倍多，那么能够发挥出来最佳RF性能的天线长度也应该差一半。如果复用一条天线的话，如何能够保证在两个频段都有最好的RF性能呢？
复用逻辑问题
对于双频wifi的天线复用问题，逻辑上其实跟WiFi与蓝牙之间复用天线的情况一致：无论如何复用，最后都是通过时分的机制来实现的，同一时刻，要么是2.4GHz频段在使用WiFi天线，要么是5GHz频段在使用WiFi频段。
正如上面高拓6132框图所示，双频WiFi的5G和2.4G两个频段有各自的RF处理电路，通过SPDT开关进行切换，同一时刻只能有一个频段在使用WiFi。
既然是分时的天线复用逻辑，那么就势必会对各个频段通信的吞吐率造成一定的影响。以最简单的等比分时复用的逻辑对SPDT开关进行切换，那么对于2.4GHz和5GHz频段而言，都只有一半的时间可以拥有天线的使用权，当然会对各个频段使用的通信吞吐率造成显著的影响。尤其是对于射频的接收而言，如果在接收信号到达天线端但是SPDT开关未能切换到与之匹配的工作频段时，这个数据包肯定就丢包了，接下来只能在开关切换过来以后通过重传来解决问题。所以这样的频繁切换对于射频收发吞吐率的影响是无法避免的。
因为分时复用对于RF吞吐率会有明显的影响，那么如果产品应用中如果对于通信的速率有较高的要求，就需要考虑2.4GHz和5GHz分时复用天线可能造成的影响。这一点应该也是大多数路由器在天线设计中把2.4G天线和5G天线分开的原因所在，这样的话，独立的2.4G天线和5G天线固定的与其匹配的RF电路配合提供相应频段下的网络服务，这样就不需要在两个频段下频繁切换了。例如下图是小米一款路由器的拆解图，可以看到2.4G和5G天线明确的分成了两组。
另外很重要的一点是，对于物联网以STA方式使用双频WiFi的应用而言，双频WiFi一般只是会处于二选一的状态，这样的话就不存在复用逻辑问题了。例如在IP Camera产品中使用双频WiFi，在进行配网的时候会选择以2.4GHz或者5GHz接入路由器，选择后以后每次与路由器之间的连接就只是固定的使用2.4GHz或者5GHz其中之一来工作，所以SPDT开关就会按照WiFi驱动配置设置的频段固定的切换到2.4GHz或者5GHz，根本就不需要在工作中频繁切换，那自然就没有复用逻辑的问题了。
复用性能问题
双频天线复用的性能问题，实际上就是天线的多频设计问题。经过多频设计的天线可以在单根天线上支持多个频段的通信。
- 天线多频设计的问题在手机LTE所支持的多模式上更为突出，因为LTE支持运行在多个不同频段的BAND上，而现在的手机基本上都是支持所有BAND的全网通，其内部天线的设计就需要能够兼容支持不同的频段，因此相较于双频WiFi的2.4GHz和5GHz的多频段支持要更加复杂。
如何设计天线，让这个天线能够支持多个频段，并且在各个频段上的工作性能都达到标准要求，这就是天线多频设计所关注的主要问题。
目前在单个天线上可以同时支持多个频段无线通信的天线设计方法主要有谐振分枝法、倍频设计法、寄生分枝法等。参考文档1针对这个主题提供了非常好的总结，以下基于其内容进行简单的总结。
谐振分枝法
谐振分枝法就是针对这个天线要支持的频段，每个频段有一个相互独立的辐射分枝。因为各个频段的分枝是独立的，所以其谐振频点的调试就不会对其他的频段产生影响，调试起来更简单。
例如下图就是一个标准的双频WiFi的天线设计图。其中尺寸较长的分支（L1+H）对应的是2.4GHz频段的偶极子天线，尺寸较短的分支（L2）是5GHz频段的偶极子天线。两个天线相互独立，可以根据其要支持的频段独立的调试长度。
下图是以上天线在频谱上进行仿真运算的示意图，可以看到在2.45GHz和5.5GHz频点上具有良好的阻抗和带宽特性。
对于谐振分枝法所设置的多频天线而言，用于两个频段时效果较为理想，当谐振分枝超过3个时，各个分枝之间的互扰就会变大，从而导致各个频段的性能均变差，因此这种方法比较适合类似双频WiFi这样的双频段应用。
倍频设计法
从电磁波的基本理论得知，当RF信号在天线的基波频段产生谐振时，同时会在其奇次谐波，例如3倍、5倍、7倍…基波频段同样产生谐振，而在其偶数倍基波频段因为抵消效应不会产生谐振。例如下图是在一个900MHz的标准偶极子天线上模拟出来的各次谐波谐振的示意图。那么就可以利用这个奇次谐波谐振的特性来设计使用一根天线用以支持多个不同频段，这就是倍频设计法的工作原理。
上图中演示的效果是标准的奇次谐波谐振的情况，但是我们在产品应用中遇到的绝大多数情况，多个频段不太可能刚好是奇次谐波的关系。针对这种情况，可以在天线的设计上做一下特殊处理，例如PCB天线对天线的走线做一些弯折处理、调整弹簧天线的螺距线圈半径等参数，就可以做到保持低频的基波频率不发生变化，并且把高频次谐波的频点调节到自己期望的频点上。
寄生分枝法
还有一种多频天线的设计方法是寄生分枝法。大致的工作原理是在天线设计的原生分枝旁边增加一个寄生分枝，RF电路的能量从原生分枝的馈线端接入，而寄生分支与原生分枝之间的距离很近，因此两个天线分枝之间会产生耦合效应，相当于在两个分枝之间增加了一个寄生电容，原生分枝馈线端的辐射能量通过这个寄生电容耦合到寄生分枝辐射出去。寄生分枝根据自己的结构和尺寸设计有对应的谐振频点，从而产生了独立于原生分枝的辐射频点。
寄生分枝除了可以像上图一样添加在原生分枝的馈电端口附近以外，也可以增加在原生分枝的末端：
甚至可以像下图一样以直接耦合的方式增加寄生分枝：
对于在单个天线上要支持多个不同频段的RF通信，大致就是以上三种多频天线设计方法的排列组合，首先确认自己的产品应用要支持的频段，然后针对性的选择合适的多频天线的设计方案并进行组合、仿真，基本上就可以到达预期的设计目的。例如下图就是一个综和利用了多种多频天线设计技术的天线设计图：
