【導讀】RF工程師在設計芯片和天線間的阻抗匹配時,根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的參數(shù)進行匹配設計,最后測試發(fā)現(xiàn)實際結(jié)果和手冊的性能大相徑庭,你是否考慮過為什么會出現(xiàn)這么大的差別?匹配調(diào)試過程中嘗試不同的電容、電感,來回焊接元器件,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)的無線通信系統(tǒng)中,國家對發(fā)射功率的大小有嚴格要求,如不高于+20dBm;若不能做到良好的匹配,就會影響系統(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。即使電路在設計過程中仿真通過,板廠制作過程中,線寬、傳輸線與地平面間隙和板厚都會存在誤差,一般會預留焊盤調(diào)試使用。
圖1 理想的阻抗匹配
2 造成與芯片手冊推薦電路偏差大的原因?
從事RF電路設計的工程師都有過這樣的經(jīng)驗,做匹配電路時,根據(jù)數(shù)據(jù)手冊給的S參數(shù)、電路拓撲結(jié)構(gòu)、元器件的取值進行設計,最后得到的結(jié)果和手冊上的差別很大。這是為什么呢?
其主要原因是對射頻電路來說,“導線”不再是導線,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,此時需要用分布參數(shù)理論進行分析,參考資料[4][7]。
圖2 傳輸線模型
特征阻抗與信號線的線寬(w)、線厚(t)、介質(zhì)層厚度(h)和介質(zhì)常數(shù)(ε)有關(guān)。其計算公式如下:
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,信號穿過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。
因為芯片的應用場景不同,雖然電路設計一樣,但是設計的PCB受結(jié)構(gòu)尺寸、器件種類、擺放位置等因素的影響,會導致板材、板厚、布線的不同,引起特征阻抗的變化。當我們還是沿用手冊給的參數(shù)進行匹配時,并不能做到良好阻抗匹配,自然會出現(xiàn)實際測試的結(jié)果與手冊給的結(jié)果偏差較大的情況。
雖然我們不能完全照搬芯片手冊電路的所有參數(shù),但可以參考其中的拓撲結(jié)構(gòu),如π型、T型或者L型等。那接下來我們應該如何調(diào)試那些參數(shù)呢?
3 常規(guī)的調(diào)試方法
完成PCB設計之后,進入調(diào)試過程,有的工程師對這個過程茫然失措,不知道該如何入手。有的工程師會回到數(shù)據(jù)手冊,把手冊提供的參數(shù)直接焊接到PCB上,通過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,就可以通過史密斯圓圖進行有據(jù)可循的阻抗匹配,減少無謂的參數(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,如何保證其準確性也值得考究;
● 使用網(wǎng)絡分析儀直接測量,該方法直觀而且結(jié)果準確。
下面介紹如何通過網(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、射頻開關(guān)和天線組成。把射頻開關(guān)輸出端作為50Ω參考點,此處接入網(wǎng)絡分析儀分別測量傳輸線到天線的阻抗和傳輸線到芯片端口的阻抗。通過匹配之后,希望從該點往天線方向看進去是50Ω和往芯片方向看進去也是50Ω。
選擇這里作為50Ω參考點主要有兩方面考慮:
● 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,同時把天線對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。
圖3 調(diào)試與匹配參考圖
5 測量分布參數(shù)阻抗
測量之前,將網(wǎng)絡分析儀進行校準。首先把PCB板上除匹配網(wǎng)絡的器件都焊上,然后把阻抗網(wǎng)絡的落地元件斷路,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,因為對高頻電路來說,焊錫容易產(chǎn)生寄生效應,影響測量結(jié)果。
圖4 焊接調(diào)試器件
進行天線匹配調(diào)試期間,需要斷開同芯片的連接。進行芯片匹配調(diào)試期間,需要斷開同天線匹配組的連接,接收鏈路的匹配和發(fā)射鏈路的匹配通過開關(guān)切換分別進行調(diào)試。
需要特別注意的是測量發(fā)射鏈路的阻抗,一般來說我們只要得到靜態(tài)或者小信號發(fā)射的阻抗就能幫助我們完成設計,因為芯片發(fā)射時處于線性放大區(qū),得到阻抗后只要微調(diào)器件,就能達到最佳的輸出功率。如果需要更準確工作狀態(tài)時的輸出阻抗呢?當然也是可以的,這就需要我們加入更多的器件,如圖5。
圖5 測量芯片發(fā)射時的S22
在圖5中,被測放大器就是芯片的功率放大器,使其進入最大功率輸出;而測試信號源則提供一個反向輸入信號a2到放大器;放大器輸出端所產(chǎn)生的反射信號b2 通過定向耦合器被接收機檢測到;b2與a2之比即為放大器的大信號S22 參數(shù)。
需要注意兩點:
● 被測芯片和測試信號源之間需要加定向隔離器,防止大信號損壞信號源;
● 芯片輸出頻率和信號測試頻率要異頻。
具體的調(diào)試步驟如下:
● 校準網(wǎng)絡分析儀,校準到連接到板上的射頻線纜;
● 通過網(wǎng)絡分析儀測量阻抗;
● 借助史密斯圓圖進行阻抗匹配;
● 選擇合適的電容和電感焊接到PCB上;
● 測量無線芯片的輸出和輸入是否滿足要求。
在匹配過程中,選擇元器件一般遵循以下幾個原則:
● 落地電容值不要過大,電容越大,容抗則越小,信號容易流入GND;
● 電容、電感值不要過小,因為存在誤差,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。
6 小結(jié)
阻抗匹配過程中,我們首先要理解數(shù)據(jù)手冊的參數(shù),找到指導電路設計的依據(jù),如電路拓撲圖、S參數(shù)等;在調(diào)試過程中,借助網(wǎng)絡分析儀測量實際電路的阻抗,使用史密斯圓圖輔助我們完成設計;最后對電容、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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