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    這種阻抗匹配的思路,你嘗試過(guò)嗎?

    發(fā)布時(shí)間:2019-03-05 責(zé)任編輯:wenwei

    【導(dǎo)讀】RF工程師在設(shè)計(jì)芯片和天線間的阻抗匹配時(shí),根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì),最后測(cè)試發(fā)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果和手冊(cè)的性能大相徑庭,你是否考慮過(guò)為什么會(huì)出現(xiàn)這么大的差別?匹配調(diào)試過(guò)程中嘗試不同的電容、電感,來(lái)回焊接元器件,這樣的調(diào)試方法我們能改善嗎?
     
    1 理想的匹配
     
    通信系統(tǒng)的射頻前端一般都需要阻抗匹配來(lái)確保系統(tǒng)有效的接收和發(fā)射,在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中,國(guó)家對(duì)發(fā)射功率的大小有嚴(yán)格要求,如不高于+20dBm;若不能做到良好的匹配,就會(huì)影響系統(tǒng)的通信距離。
     
    射頻前端最理想的情況就是源端、傳輸線和負(fù)載端都是50Ω,如圖1。但是這樣的情況一般不存在。即使電路在設(shè)計(jì)過(guò)程中仿真通過(guò),板廠制作過(guò)程中,線寬、傳輸線與地平面間隙和板厚都會(huì)存在誤差,一般會(huì)預(yù)留焊盤(pán)調(diào)試使用。
       
    這種阻抗匹配的思路,你嘗試過(guò)嗎?
    圖1 理想的阻抗匹配
     
    2 造成與芯片手冊(cè)推薦電路偏差大的原因?
     
    從事RF電路設(shè)計(jì)的工程師都有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn),做匹配電路時(shí),根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)給的S參數(shù)、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元器件的取值進(jìn)行設(shè)計(jì),最后得到的結(jié)果和手冊(cè)上的差別很大。這是為什么呢?
     
    其主要原因是對(duì)射頻電路來(lái)說(shuō),“導(dǎo)線”不再是導(dǎo)線,而是具有特征阻抗。如圖2所示,射頻傳輸線看成由電阻、電容和電感構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),此時(shí)需要用分布參數(shù)理論進(jìn)行分析,參考資料[4][7]。
     
    這種阻抗匹配的思路,你嘗試過(guò)嗎?
    圖2 傳輸線模型
     
    特征阻抗與信號(hào)線的線寬(w)、線厚(t)、介質(zhì)層厚度(h)和介質(zhì)常數(shù)(ε)有關(guān)。其計(jì)算公式如下:
    這種阻抗匹配的思路,你嘗試過(guò)嗎?
    由公式可以知道,特征阻抗和介質(zhì)層厚度成正比,可以理解為絕緣厚度越厚,信號(hào)穿過(guò)其和接地層形成回路所遇到的阻力越大,所以阻抗值越大;和介質(zhì)常數(shù)、線寬和線厚成反比。
     
    因?yàn)樾酒膽?yīng)用場(chǎng)景不同,雖然電路設(shè)計(jì)一樣,但是設(shè)計(jì)的PCB受結(jié)構(gòu)尺寸、器件種類、擺放位置等因素的影響,會(huì)導(dǎo)致板材、板厚、布線的不同,引起特征阻抗的變化。當(dāng)我們還是沿用手冊(cè)給的參數(shù)進(jìn)行匹配時(shí),并不能做到良好阻抗匹配,自然會(huì)出現(xiàn)實(shí)際測(cè)試的結(jié)果與手冊(cè)給的結(jié)果偏差較大的情況。
     
    雖然我們不能完全照搬芯片手冊(cè)電路的所有參數(shù),但可以參考其中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如π型、T型或者L型等。那接下來(lái)我們應(yīng)該如何調(diào)試那些參數(shù)呢?
     
    3 常規(guī)的調(diào)試方法
     
    完成PCB設(shè)計(jì)之后,進(jìn)入調(diào)試過(guò)程,有的工程師對(duì)這個(gè)過(guò)程茫然失措,不知道該如何入手。有的工程師會(huì)回到數(shù)據(jù)手冊(cè),把手冊(cè)提供的參數(shù)直接焊接到PCB上,通過(guò)頻譜儀觀察功率輸出,若不符合期望值;則調(diào)整其中的電容和電感,改大或者調(diào)小,然后焊回到PCB上,不斷的迭代,直到輸出值符合期望。
     
    這種方法由于無(wú)法得知PCB板上分布參數(shù)的阻抗,只能不停的焊接更換參數(shù)調(diào)試,導(dǎo)致效率很低,而且并不適合調(diào)試接收鏈路的阻抗匹配。
     
    4 是否有更有效的調(diào)試方法?
     
    如果我們能知道PCB板上分布參數(shù)的阻抗,就可以通過(guò)史密斯圓圖進(jìn)行有據(jù)可循的阻抗匹配,減少無(wú)謂的參數(shù)嘗試。
     
    分布參數(shù)的阻抗有兩種方法可以獲得:
     
    ● 使用仿真軟件建模仿真,但是建立模型需要知道材料、尺寸、結(jié)構(gòu)等條件,其工作量不亞于直接調(diào)試;即使能建立模型,如何保證其準(zhǔn)確性也值得考究;
     
    ● 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)量,該方法直觀而且結(jié)果準(zhǔn)確。
     
    下面介紹如何通過(guò)網(wǎng)分直接得到特征阻抗。
     
    下圖3是調(diào)試與匹配電路參考圖,由芯片模塊、射頻開(kāi)關(guān)和天線組成。把射頻開(kāi)關(guān)輸出端作為50Ω參考點(diǎn),此處接入網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)量傳輸線到天線的阻抗和傳輸線到芯片端口的阻抗。通過(guò)匹配之后,希望從該點(diǎn)往天線方向看進(jìn)去是50Ω和往芯片方向看進(jìn)去也是50Ω。
     
    選擇這里作為50Ω參考點(diǎn)主要有兩方面考慮:
     
    ● 該處到天線端是接收和發(fā)射的共同鏈路,只需要匹配一次,同時(shí)把天線對(duì)阻抗的影響也考慮了;到芯片端分別是接收和發(fā)射鏈路,需要分開(kāi)匹配;
     
    ● 雖然匹配電路次數(shù)變多,但是每次匹配元器件數(shù)目少了,減少相互間影響,提高匹配效率。
     
    這種阻抗匹配的思路,你嘗試過(guò)嗎?
    圖3 調(diào)試與匹配參考圖
     
    5 測(cè)量分布參數(shù)阻抗
     
    測(cè)量之前,將網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。首先把PCB板上除匹配網(wǎng)絡(luò)的器件都焊上,然后把阻抗網(wǎng)絡(luò)的落地元件斷路,串聯(lián)元件用0Ω電阻短路,如圖4所示。盡量不使用焊錫短路,因?yàn)閷?duì)高頻電路來(lái)說(shuō),焊錫容易產(chǎn)生寄生效應(yīng),影響測(cè)量結(jié)果。
     
    這種阻抗匹配的思路,你嘗試過(guò)嗎?
    圖4 焊接調(diào)試器件
     
    進(jìn)行天線匹配調(diào)試期間,需要斷開(kāi)同芯片的連接。進(jìn)行芯片匹配調(diào)試期間,需要斷開(kāi)同天線匹配組的連接,接收鏈路的匹配和發(fā)射鏈路的匹配通過(guò)開(kāi)關(guān)切換分別進(jìn)行調(diào)試。
     
    需要特別注意的是測(cè)量發(fā)射鏈路的阻抗,一般來(lái)說(shuō)我們只要得到靜態(tài)或者小信號(hào)發(fā)射的阻抗就能幫助我們完成設(shè)計(jì),因?yàn)樾酒l(fā)射時(shí)處于線性放大區(qū),得到阻抗后只要微調(diào)器件,就能達(dá)到最佳的輸出功率。如果需要更準(zhǔn)確工作狀態(tài)時(shí)的輸出阻抗呢?當(dāng)然也是可以的,這就需要我們加入更多的器件,如圖5。
     
    這種阻抗匹配的思路,你嘗試過(guò)嗎?
    圖5 測(cè)量芯片發(fā)射時(shí)的S22
     
    在圖5中,被測(cè)放大器就是芯片的功率放大器,使其進(jìn)入最大功率輸出;而測(cè)試信號(hào)源則提供一個(gè)反向輸入信號(hào)a2到放大器;放大器輸出端所產(chǎn)生的反射信號(hào)b2 通過(guò)定向耦合器被接收機(jī)檢測(cè)到;b2與a2之比即為放大器的大信號(hào)S22 參數(shù)。
     
    需要注意兩點(diǎn):
     
    ● 被測(cè)芯片和測(cè)試信號(hào)源之間需要加定向隔離器,防止大信號(hào)損壞信號(hào)源;
     
    ● 芯片輸出頻率和信號(hào)測(cè)試頻率要異頻。
     
    具體的調(diào)試步驟如下:
     
    ● 校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀,校準(zhǔn)到連接到板上的射頻線纜;
    ● 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量阻抗;
    ● 借助史密斯圓圖進(jìn)行阻抗匹配;
    ● 選擇合適的電容和電感焊接到PCB上;
    ● 測(cè)量無(wú)線芯片的輸出和輸入是否滿足要求。
     
    在匹配過(guò)程中,選擇元器件一般遵循以下幾個(gè)原則:
     
    ● 落地電容值不要過(guò)大,電容越大,容抗則越小,信號(hào)容易流入GND;
    ● 電容、電感值不要過(guò)小,因?yàn)榇嬖谡`差,容值、感值越小,誤差影響越大,影響批次的穩(wěn)定性;
    ● 電容、電感選擇常規(guī)值,方便替換和備料采購(gòu)。
     
    6 小結(jié)
     
    阻抗匹配過(guò)程中,我們首先要理解數(shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù),找到指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)的依據(jù),如電路拓?fù)鋱D、S參數(shù)等;在調(diào)試過(guò)程中,借助網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量實(shí)際電路的阻抗,使用史密斯圓圖輔助我們完成設(shè)計(jì);最后對(duì)電容、電感的選擇也給了參考建議。希望本文能給正在阻抗匹配中的你一些幫助。
     
     
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