【絕密資料】萬字2.4G天線設計指南

2017-03-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文章使用簡單的術語介紹了天線的設計情況,并推薦了兩款經過賽普拉斯測試的低成本PCB天線。這些PCB天線能夠與賽普拉斯PRoC?和PSoC®系列中的低功耗藍牙(BLE)解決方案配合使用。為了使性能最佳,PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射頻必須與其天線正確匹配。本應用筆記中最后部分介紹了如何在最終產品中調試天線。

簡介

天線是無線系統(tǒng)中的關鍵組件,它負責發(fā)送和接收來自空中的電磁輻射。為低成本、消費廣的應用設計天線,并將其集成到手提產品中是大多數(shù)原裝設備制造商(OEM)正在面對的挑戰(zhàn)。終端客戶從某個RF產品(如電量有限的硬幣型電池)獲得的無線射程主要取決于天線的設計、塑料外殼以及良好的PCB布局。

對于芯片和電源相同但布局和天線設計實踐不同的系統(tǒng),它們的RF(射頻)范圍變化超過50%也是正常的。本應用筆記介紹了最佳實踐、布局指南以及天線調試程序,并給出了使用給定電量所獲取的最寬波段。

圖1.典型的近距離無線系統(tǒng)

設計優(yōu)良的天線可以擴大無線產品的工作范圍。從無線模塊發(fā)送的能量越大,在已給的數(shù)據(jù)包錯誤率(PER)以及接收器靈敏度固定的條件下,傳輸?shù)木嚯x也越大。另外,天線還有其他不太明顯的優(yōu)點,例如:在某個給定的范圍內,設計優(yōu)良的天線能夠發(fā)射更多的能量,從而可以提高錯誤容限化(由干擾或噪聲引起的)。同樣,接收端良好的調試天線和Balun(平衡器)可以在極小的輻射條件下工作。

最佳天線可以降低PER,并提高通信質量。PER越低,發(fā)生重新傳輸?shù)拇螖?shù)也越少,從而可以節(jié)省電池電量。

天線原理

天線一般指的是裸露在空間內的導體。該導體的長度與信號波長成特定比例或整數(shù)倍時,它可作為天線使用。因為提供給天線的電能被發(fā)射到空間內,所以該條件被稱為“諧振”。

圖2. 偶極天線基礎

如圖2所示,導體的波長為λ/2,其中λ為電信號的波長。信號發(fā)生器通過一根傳輸線(也稱為天線饋電)在天線的中心點為其供電。按照這個長度,將在整個導線上形成電壓和電流駐波,如圖2所示。

輸入到天線的電能被轉換為電磁輻射,并以相應的頻率輻射到空中。該天線由天線饋電供電,饋電的特性阻抗為50Ω,并且輻射到特性阻抗為377Ω的空間中。

因此,對于天線的幾何形狀,有兩個非常重要的事項需要注意:

1.天線長度

2.天線饋電

長度為λ/2的天線(如圖2所示)被稱為偶極天線。但在印刷電路板中,大多作為天線使用的導體長度僅為λ/4,但仍具有相同的性能。請參見圖3。

通過在導體下方一定距離的位置上放置接地層,可以創(chuàng)建與導體長度相同的鏡像(λ/4)。被組合在一起時,這些引腳作為偶極天線使用。這種天線被稱為四分之一波長(λ/4)天線。

PCB上幾乎所有的天線都按銅制接地層上四分之一波長的尺寸實現(xiàn)。請注意,該信號現(xiàn)在是單端饋電,同時接地層作為返回路徑使用。

圖3. 四分之一波長天線

對于大多數(shù)PCB中使用的四分之一波長天線,需要特別注意:

1. 天線長度

2. 天線饋電

3. 接地層和回流路徑的形狀和尺寸

天線類型

如前部分所述,在自由空間中裸露的波長為λ/4的所有導體被放在一個接地層上,并為其提供合適的電壓,那么該導體可以作為一個天線使用。根據(jù)不同的波長,天線可能與汽車的FM天線一樣長,也可能與信號浮標上的走線一樣短。對于2.4GHz的應用,大部分PCB天線都屬于下面的類型:

1.導線天線:這是在PCB上延長到自由空間中的一段導線,它的長度為λ/4,并被放置在接地層上。這種天線是由50Ω阻抗的傳輸線供電的。通常,該導線天線提供的性能和輻射范圍最好。該導線可以是直線、螺旋或是回路的。它是一個三維(3D)的結構,其中天線高出PCB4-5mm,并伸出到空間內。

圖4.導線天線

2. PCB天線:它是PCB上的一根PCB走線,并且可以將其畫成直線形走線、反轉的F形走線、蛇形或圓形走線等。在一個PCB天線中,與導線天線不同的是,該天線沒有被露到外部空間內,而是在同一個PCB層上以二維(2D)結構形式存在;請參見圖5。

當裸露到空間外的3D天線被放置到PCB層上作為2D的PCB走線時,必須遵循一定的指南。一般情況下,與導線天線相比,它需要的PCB空間更大,效率也低,但成本低,并且可以給BLE應用提供可接收的無線距離。

圖5. PCB天線

3.芯片天線:這是一種帶有導體的天線,天線和導體都被組裝在小型的IC封裝中。當天線被封裝在很小的尺寸內時,它會變得很有優(yōu)勢。天線USB的納米收發(fā)器等應用會使用這種天線,當PCB上沒有足夠的空間來布局PCB天線時。

有關芯片天線的信息,請參見下圖。想要了解各種天線的尺寸對比,請參見表4。

圖6.芯片天線

天線選擇

天線的選擇取決于其應用、可用電路板的尺寸、成本、輻射范圍以及方向性等因素。

藍牙低功耗(BLE)應用(比如無線鼠標)只需要10英寸的輻射范圍和幾kbps的數(shù)據(jù)速率。然而,對于采用語音識別的遙控應用,則需要一個室內設置天線,該天線的輻射范圍大概為10-15英寸,并且其數(shù)據(jù)速率為64kbps。

對于無線音頻應用,需要分集天線。分集天線是指:將兩根天線放置在同一個PCB上,這樣可以保證最少有一根天線始終能夠接收某些輻射,而另一根天線則可能會因反射和多路徑衰弱而被遮住。

在傳輸實時音頻數(shù)據(jù)并需要較高的吞吐量而不會丟失數(shù)據(jù)包的情況下,需要用到分集天線。也可以將它用在信標應用中,進行室內定位。

天線參數(shù)

下面部分提供了天線性能的某些關鍵參數(shù)。

§ 回波損耗:天線的回波損耗表示天線如何與阻抗為50Ω的傳輸線(TL)實現(xiàn)匹配,將其顯示為圖7中的信號饋送。通常,這個TL的阻抗值為50Ω,但也可以是其他數(shù)值。對于工業(yè)標準,商業(yè)天線和它的測試設備的電阻為50Ω,因此建議您最好使用該值。

回波損耗指出:由于不匹配,天線反射的入射功率大小(公式1)。一個理想的天線會發(fā)射全部功率,不會產生任何反射。

公式1 Return Loss(dB)= 10 log(Pincident/Preflect)

如果該回波損耗是無限的,則認為天線與TL完全匹配,如圖7所示。S11是回波損耗的倒數(shù),其單位為dB。根據(jù)經驗估計,如果回波損耗≥10dB(既S11≤–10dB),便足夠大。

表1顯示了天線的回波損耗(dB)與反射功率(%)。回波損耗為10dB時,表示90%的入射功率被傳給天線以進行發(fā)射。

圖7.回波損耗

表1.天線的回波損耗及反射功率

§ 帶寬:是指天線的頻率響應。它表示在采用的整個頻帶上,即在BLE應用的2.40GHz至2.48GHz的范圍內,該天線與50Ω的傳輸線如何相互匹配。

圖8.帶寬

如圖8所示,在2.33GHz至2.55GHz的帶寬上,回波損耗大于10dB。因此,采用的帶寬為200MHz左右。

§ 輻射效率:指的是非反射功耗中的一部分(請參見圖7)被消耗為天線中的熱量。產生熱量是由于FR4基板中的介電損耗以及銅線中的導體損耗造成的。該信息作為輻射效率。

輻射效率為100%時,全部非反射的功耗都被發(fā)射到空間內。對于小型的PCB外形因素,熱耗最小。

§ 輻射圖型:該圖型表示輻射的方向性,即表示在哪個方向上的輻射更大,哪個方向上的輻射更小。這有助于在應用中準確地確定天線的方向。

無方向性天線可以按與軸線相垂直的平面上所有方向進行等效發(fā)射。但大多數(shù)天線都達不到這個理想的性能。欲了解詳細說明,請參看圖9中所示的PCB天線的輻射圖。

每個數(shù)據(jù)點都代表RF場強,可以通過接收器中用于接收信號強度的指示器(RSSI)進行測量。正如所料的情況,獲得的輪廓圖像并不是圓形的,因為該天線不是各向同性的。

圖9.輻射方向圖

§ 增益:增益提供了所采用方向的輻射與各向同性天線(即可從所有方向進行發(fā)射)進行對比的信息。增益單位為dBi,即表示在與一個理想的無方向性天線進行對比時輻射的場強。

賽普拉斯PRoC/PSoCBLE的天線

設計BLE的一個受限因素便是需要在一個緊湊的空間中集成天線,并且最多只能使用兩個外部組件進行調整。調試過程需要確保在某個頻帶內進行傳輸時應盡可能保持傳入天線的能量。這便意味著,所需帶段中的回波損耗要大于10dB。當天線的輸入阻抗為50Ω,并且芯片輸出阻抗為50Ω時,天線收到的能量最大。天線作為接收端時,也要滿足上述條件。對于天線來說,它的調整過程能夠確保天線的阻抗等于50Ω。對于芯片來說,Balun(平衡器)調整過程可保證電阻接近50Ω。

PRoC/PSoCBLE器件中集成平衡器的阻抗并不等于50Ω,所以可能需要通過兩個組件對其進行調整。對于射頻范圍較小的低數(shù)據(jù)速率應用,賽普拉斯所推薦的PCB天線不需要通過任何組件來調整天線。

對于高數(shù)據(jù)速率的應用(如通過遙控器的聲音識別應用),建議至少需要使用四個組件進行匹配網(wǎng)絡。其中兩個用于平衡器調整,其余兩個用于天線調整?？墒褂闷渲袃蓚€進行調整過程,剩下的兩個保持待用狀態(tài)。

此外,賽普拉斯PRoC/PSoC還提供了不同的應用,如室內定位、智能家居、智能電器以及傳感器集線器。這些應用可能不受空間的限制,因此,可以針對射頻范圍和射頻方向圖等因素為這些應用設計更好的天線。導線天線非常適合非穿戴式但位置固定的應用。

很多應用直接在其主PCB中嵌入了賽普拉斯的該類模塊,用以實現(xiàn)無線連接。這些應用要求通過FCC的低成本小型模塊。這時可以使用滿足這些要求的芯片天線。

雖然使用2.4GHz頻段的應用很多,但大多數(shù)BLE應用僅使用了下面介紹的雙PCB天線。賽普拉斯推薦使用兩種專有的PCB天線、蛇形倒F天線(MIFA)和倒F形天線(IFA),它們是針對BLE應用而特性化和廣泛模擬的天線。特別是MIFA,可將它用于幾乎所有的BLE應用中。

賽普拉斯專有的PCB天線

賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線。BLE應用中的低速率和典型的輻射圍范使這兩種天線特別有用。這些天線既便宜又容易設計,這是因為它們是PCB的組成部分,并且能夠在150至250MHz的頻段范圍內提供良好的性能。

建議將MIFA天線使用在僅需極小的PCB空間的應用中,如無線鼠標、鍵盤、演示機等等。對于IFA天線,建議將其應用在要求天線一側的尺寸遠小于另一側的尺寸的應用中,如心率監(jiān)視器。大多數(shù)BLE應用中使用的是MIFA天線。下面各節(jié)將詳細介紹每種天線的信息。

蛇形倒F天線(MIFA)

MIFA是一種普通的天線,被廣泛地使用在各個人機接口設備(HID)中,因為它占用的PCB空間較小。因此賽普拉斯已設計出一種結實的MIFA天線,而它能在較小的波形系數(shù)中提供優(yōu)越的性能。該天線的尺寸為7.2mm×11.1mm(相當于284密耳×437密耳),因此它很適合于各種HID的應用,例如無線鼠標、鍵盤或演示機等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線的詳細布局,其中包含了雙層PCB的頂層和底層。這種天線的跡線寬度均為20密耳?！癢”的值是可改變的主要參數(shù),它取決于PCB堆棧間隔,它表示RF走線(傳輸線)的寬度。

天線饋電的考量

表2顯示的是雙層FR4PCB頂層和底層間厚度的“W”值(相應的介電常數(shù)為4.3)。頂層包含了天線走線;而底層則是包含了固態(tài)RF接地層的下一層。底層的余下PCB空間可以作為信號接地層使用(針對PRoC/PSoC和其他電路)。圖11顯示的是典型的雙層PCB厚度的“W”值。

表2.FR4PCB的“W”值:天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。

圖11.PCB厚度說明

對于為天線饋電更短的PCB走線,這樣的寬度要求是比較寬松的。要確保天線走線的寬度和天線饋電接點的寬度相同。在圖12展示的情況中,天線饋電的走線寬度不是表2中所規(guī)定的寬度。

圖11.PCB厚度說明

圖13.MIFA的S11(回波損耗=–S11)

圖14顯示的是MIFA在2.44GHz頻率時完整的3D輻射增益圖。在給自定義應用設置MIFA天線時,該信息非常有用,有助于在需要的方向上得到最大的輻射。在上面的圖中:MIFA被放置在XY平面上,Z軸方向與它垂直。

圖14.MIFA的3D輻射增益圖

供該輻射圖,可以知道:最大的輻射出現(xiàn)在與X軸成30°角度的圓錐空間內。這是因為MIFA在XY平面上不能保持正橫或正豎的方向。MIFA豎向部分和末梢和均參加了輻射,并形成一個傾斜的輻射圖。

天線長度的考量

根據(jù)PCB的不同厚度,需要調整MIFA天線的長度,這樣才能調整天線輻射的阻抗和頻率選擇。根據(jù)不同的電路板厚度,賽普拉斯提供了下面各天線長度。

圖15.MIFA的長度

表3.豎向部分和末梢的長度(L_Tip/L_leg)

圖15顯示的是兩種適用于兩個不同電路板厚度的MIFA天線。設計人員根據(jù)特定的電路板厚度進行調整MIFA天線的長度時,請參考表3。

倒F天線(IFA)

對于天線的尺寸有一定限制條件的應用中(例如心率監(jiān)視器),推薦您選用這種IFA。圖16顯示所推薦的IFA的詳細布局,其中包含了雙層PCB中的頂層和底層。其走線寬度約為24mm。對于厚度為1.6mm的FR4PCB,IFA的尺寸被設計為4mm×20.5mm(157.5mils×807mils)。與MIFA相比,IFA的寬高比(寬度和高度的比例)更大。

圖16.IFA布局

頂層(天線層)

底層(RF接地層)

饋電走線的寬度“W”受產品中PCB堆棧的影響。表4根據(jù)頂層(天線層)和底層(相鄰射頻接地層)間不同的PCB厚度給FR4基板提供了相應的“W”值(相應的介電常數(shù)為4.3)。頂層包含天線跡線;而底層則為其緊挨的包含了固態(tài)RF接地層的下一層。底層上剩余的PCB空間可以作為信號接地平面使用(對于PRoC/PSoC和其他電路)。圖17將典型的雙層PCB的“PCB厚度”的概念與“F”值聯(lián)系起來。

表4.FR4PCB的“F”值:天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。

圖17.PCB厚度說明

對于小于3mm的短走線,天線饋電厚度是可以調整的。天線饋電的厚度可以與天線走線厚度相同,請參見圖12。

IFA在220MHz的帶寬上(S11≤–10dB)的頻率約為2.44GHz,如圖18中所示。

圖18.IFA的S11(回波損耗=-S11)

圖19顯示的是IFA在XY平面上的定性輻射圖。在為客戶應用設置IFA天線時,該信息非常有用,有助于在需要的方向上得到最大的輻射。為了便于觀察,圖中只顯示了定性輻射的方向。有關所有XY、YZ、ZX平面上詳細的輻射圖,請聯(lián)系賽普拉斯的技術支持。

圖19.IFA的定性2D輻射增益圖

芯片天線

對于PCB尺寸非常小的利基應用(例如藍牙收發(fā)器),芯片天線不失為一種很好的辦法(圖20)。它們是現(xiàn)成的天線,占用的PCB空間最小,并且能夠提供較好的性能。但芯片天線增加了材料清單(BOM),并需要裝配費用。因為它要求訂購和裝配外部組件。通常,芯片天線的價格約為10-50美分,具體價格取決于尺寸和性能。

圖20.芯片天線

使用芯片天線時,也應考慮另一個關鍵因素:它受輻射接地面積的影響。所以,必須遵循廠家對接地面積的推薦。與PCB天線不同,芯片天線不能通過改變天線長度來調整。另外需要一個匹配網(wǎng)絡才能調整該天線,因此會增加更多的材料清單。

賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求PCB空間極小的特定應用中,例如:Nano藍牙收發(fā)器。對于這樣的應用,賽普拉斯建議使用具有約翰森技術的2450AT18B100E芯片天線,其尺寸為63milx126mil。

而對于大部分應用,則建議使用PCB天線,如MIFA或IFA。這些小外形(占用空間小)天線不但廉價,而且提供的性能非常卓越。圖21和圖22顯示的是具有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線布局指南。其尺寸為118milx196mil。更多有關這些天線的詳細指南,請參考它們相關的網(wǎng)址。

圖21.具有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線的布局指南

該布局也顯示了50Ω的饋電傳輸線以及與其相匹配的組件。饋電傳輸線的寬度取決于電路板的厚度。表4中指定了準確的電路板厚度。

圖22.與產品網(wǎng)頁中相同的約翰森技術天線的布局指南。

芯片天線的性能是由接地層決定。一般來說,它們需要更多的接地面積和更大的空間。如上圖所示,對于2450AT42B100E的天線,最小的接地距離為0.8mm。該間距為2-3mm時,觀察到的s11會更加明顯。

芯片天線不一定是嚴格等向性的。輻射存在某些優(yōu)先的方向。根據(jù)Gnd間距和塑料配件,輻射最大的方向也不一樣。有關約翰森技術的芯片天線(2450AT42B100E)的常見輻射方向,請參見圖23。

圖23.芯片天線的輻射圖

賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求PCB空間極小的特定應用中,例如:Nano藍牙收發(fā)器或超小的模塊。對于這些應用,賽普拉斯也建議使用含有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線,因為與2450AT18B100E相比,它的尺寸更大,射頻性能更好,并且需要較小的Gnd間距。介紹翰森技術天線的內容僅供參考。更多有關2.4GHz芯片天線的信息,請向各供應商索取,如Murata、Vishay等。

對于大部分應用,建議使用PCB天線,如MIFA或IFA。這些外形小(占用空間小)的天線雖然廉價,但提供的性能非常卓越。

導線天線

導線天線是傳統(tǒng)的舊式天線,將一條鋁線或一根四分之一波長的回形針固定在PCB上面便構成了這種天線,該鋁線或回形針按螺旋形狀安裝在PCB上,然后在距離PCB5-6mm的位置與該層并行。

不用再做介紹,由于它們作為3D天線裸露在空氣中,所以它們的射頻性能非常好。這種天線具有最好的信號范圍和最等向的輻射方向圖。導線天線的無線覆蓋范圍可超過100英尺。

對于要求小外形天線的BLE應用,不建議使用這種天線,因為它會占用較大空間和垂直高度。但如果有足夠的空間,那么這種天線可實現(xiàn)最佳的射頻范圍、方向性以及輻射方向圖等性能。

圖24.導線天線布局

導線天線具有最佳的射頻性能。與其他天線相比,導線天線的天線增益和輻射性能是最好的。請參考圖25,了解導線天線的定性輻射方向圖。

圖25.導線天線的定性輻射方向圖

各種天線的比較

請參考表5,快速為您的應用選擇合適的天線。

環(huán)境對天線性能的影響

通常消費類產品中所使用的天線對PCB射頻接地層的大小和產品的塑料外殼非常敏感?？蓪⑻炀€模擬為一個LC諧振器,當L(電感)或C(電容)增加時,該LC諧振器的諧振頻率會下降。更大的射頻接地層和塑料外殼會增大有效電容,從而降低諧振頻率。

接地層的影響

賽普拉斯已經廣泛地研究了射頻接地層的大小和附近塑料外殼對天線諧振頻率產生的影響。通過實驗和測量證明,賽普拉斯可以確定天線的靈敏度并提供一個既簡單強大,又有效的解決方法,以便調試天線。

要想評估天線對射頻接地層大小的靈敏度,可以通過在各種可能尺寸的PCB上安裝天線進行實驗。圖26顯示的是MIFA被放置在接地層大小不同的PCB上的示例。PCB的尺寸范圍為20mm×20mm至50mm×50mm。

通過該曲線可以了解到,射頻接地層的面積越大,那么諧振頻率越低,并且接地層也越好,因此回波損耗也會越小。這便是好的PCB布局中的關鍵條件。

給四分之一波長的天線提供的接地層越好,它與理論性能的關系也會越好。這是進行天線設計中的關鍵概念,可以解決沒有足夠空間提供給接地小型模塊天線的困難。

圖26.PCB

塑料外殼的影響

同樣,為確定產品的塑料外殼對天線的影響,要使用一個無線鼠標進行實驗,如圖27所示。將賽普拉斯MIFA放置在無線鼠標的塑料外殼中,然后測量該天線的諧振頻率。

通過圖26和圖27,可了解以下主要內容:

§ 將天線放置在靠近塑料外殼的地方時,諧振頻率會降低。

§ 諧振頻率的變化范圍為100MHz至200MHz。必須重新調試天線才能獲得所需頻帶。

總之,加大接地層大小和塑料外殼是為了使天線的諧振頻率降低到100MHz至200MHz的范圍內。

產品外殼和接地層指南

§ 必須確保在天線末梢或天線長度范圍附近不能有任何組件、固定螺釘或接地層。

§ 電池線或音頻線不能穿過天線或PCB上天線布線的同一側面。

§ 不能將金屬外殼完全覆蓋天線。如果產品外殼是金屬的或是一個保護罩,請不要將外殼完全覆蓋掉天線。

§ 天線的方向應該符合最終產品的方向,這樣使天線在所需的方向上具有最大的輻射。

§ 應該具有足夠的空間:接地層越大,MIFA、IFA、芯片天線和導線天線的S11參數(shù)值(回波損耗)會越高。

§ 天線正下方不應該存在任何接地層。請參考圖14。這個設置適用于所有天線。

§ 從天線到接地層要有足夠的空間(間隙),該接地層的寬度應該最小。請參考圖10、圖15和圖21。

天線調試

天線調試過程確保在所需頻帶中,天線的回波損耗(從芯片輸出的方向來看)大于10dB。同樣,對于芯片(Balun),要執(zhí)行相同的程序,用以確保在接受模式下,Balun的阻抗為50Ω。這時天線調試和Balun調試均被稱為天線調試。

圖28.調試和匹配網(wǎng)絡的參考圖

0Ω參考點被連接至具有一個端口網(wǎng)絡的網(wǎng)絡分析儀。進行天線調試期間,通過移除Balun匹配組件可以斷開同芯片的連接。進行Balun調試期間,會斷開同天線匹配組件的連接。

以下章節(jié)將詳細說明如何使用網(wǎng)絡分析儀來調試天線。雖然這里僅顯示了一個Pioneer套件無線鼠標的調試程序,不過該程序適用于所有天線調試。

調試過程

如前面所述,外殼和接地層的影響使天線所需的頻帶失調,并且影響了回波損耗。因此,天線調試過程包括兩個步驟:首先,將PCB空板調試為所需頻帶;然后在確定ID后,通過塑料外殼和人體接觸檢查調試。

使用網(wǎng)絡分析儀來檢查天線調試。在第一個步驟中,先校準該網(wǎng)絡分析儀,然后通過調整匹配網(wǎng)絡組件和驗證Smith圖表中的調試進行天線調試。

調試過程中會使用:

§ 安捷倫(Agilent)8714ES網(wǎng)絡分析儀(已校準)

§ Pioneer套件鼠標(如DUT)

§ 電氣延遲時間為350ps的半剛性電纜

§ 質量的射頻組件目錄(Johanson套件P/N:L402DC)

調試過程主要步驟為:

1.準備ID

2.設置并校準網(wǎng)絡分析儀

3.PCB空板調試。如同圖中所示,標志1、2和3的回波損耗大于15db。

4.使用塑料和人體接觸來調整調試

準備ID

該步驟非常重要,因為同軸線纜的放置情況會使s11的變化值為3dB。盡量使同軸線纜屏蔽的接地連接靠近傳輸線返回路徑。請執(zhí)行以下操作:

1.打開塑料外殼,去掉電池或斷開供電電源。

2.使同軸線纜接近芯片的射頻輸出引腳。斷開芯片連接。否則,不僅僅是天線,就連Balun也會連接到同軸線纜。請參見圖29。

3.請確保,有一個裸露接地層靠近同軸線纜頭。將線纜的屏蔽或外殼接地。將該屏蔽/外殼接地時,盡量縮短它與地面間的距離。該距離越小,調試準確度就越高。根據(jù)同軸線纜接地的位置,回波損耗測量的差值可為3dB。

4.將一個10pF的電容從50Ω參考點的第一個焊盤連接至天線末梢。要在同軸線纜和天線之間始終連接一個電容。這樣能夠阻止網(wǎng)絡分析儀的直流電。

圖29.同軸線纜的連接點

設置并校準網(wǎng)絡分析儀

1.使用3.5mm校準套件進行校準。接下來,將網(wǎng)絡分析儀的校準套件設置為3.5mm后,按下Agilent8714ES上的cal(校準)按鍵。您也可以使用其他校準套件,如N型校準套件。

2.按下頻率按鍵,分別將啟動頻率和停止頻率設置為2GHz和3GHz,將格式設為Smith圖表。

3.按下marker(標記)按鍵,將各標記的頻率分別設為2.402GHz、2.44GHz和2.48GHz。

4.按下cal(校準)按鍵,選擇網(wǎng)絡分析儀上的S11并將其設為用戶1端口校準。

5.要求連接“open”加載時,請連接“open”加載,并按下measurestandard。

6.連接“Short”加載,并按下measurestandard。

7.連接至“broadband”加載,并按下measurestandard。然后網(wǎng)絡分析儀會計算系數(shù),并將50Ω加載顯示為Smith圖表上明確標記為50,0的參考點。

8.通過按下‘scale’按鍵并正確設置電氣延遲,可調試同軸線纜和設置電氣延遲。

調試PCB空板

想要調試PCB空板,先要確定天線的阻抗,然后根據(jù)匹配網(wǎng)絡組件,在所需頻帶內使回波損耗低于10db。

1.將一個8.2pF大小的電容與天線串聯(lián)起來。在所需頻帶內,該電容的阻抗為0Ω。該阻抗便是天線阻抗。天線的阻抗等于(100.36–j34.82),如Smith圖表中紅色圓圈所示。

圖30.僅針對天線的Smith圖表

2.確定天線的阻抗后,通過執(zhí)行阻抗轉換使用拓撲使天線阻抗變?yōu)?0Ω。賽普拉斯MIFA或IFA的大部分匹配網(wǎng)絡(圖31所示)是由兩個組件構成的。

圖31.匹配網(wǎng)絡

可以使用標準的開源工具(如Bern研究院的SmithV3.10)對匹配網(wǎng)絡組件進行仿真。通過將0.45pF的并聯(lián)電容和3.6nH的串聯(lián)電感連接到天線,可以將天線阻抗轉換為50Ω,,從而能夠在所需的頻帶中去除虛擬部分。由于準確值不可用,因此我們要選擇一個0.5pF的并聯(lián)電容和一個3.6nH的串聯(lián)電感。

圖32.在Smith圖表中轉換為50Ω

以下顯示的是匹配網(wǎng)絡的最終原理圖。ZL表示阻抗為0歐姆時天線的阻抗。Zin指的是輸出阻抗為50歐姆時網(wǎng)絡分析儀觀察到的阻抗。

圖33.理論匹配網(wǎng)絡

仿真軟件有助于了解組件值。但實際組件值與仿真值的差別很大。出現(xiàn)這種情況是因為頻率為2.4GHz時,電容的走線間電感、焊盤的寄生加載以及接地返回路徑構建了一個附加的寄生回路,從而完全改變了Smith圖表。對于該應用,需要選擇一個0.7pF的電容和一個1.2pF的串聯(lián)電容,以得到諧振。

圖34.實際的匹配網(wǎng)絡

下面是該操作的簡要說明。天線阻抗來自假定阻抗為0歐姆的8.2pF電容器。此外,該圖也顯示了頻率為2.4Ghz時走線間電感的寄生電容。接地返回路徑緊挨著該天線。但由于使用了匹配組件,接地返回路徑將有額外的寄生電容。

這樣天線的電感會很大,所以要添加幾個電容器以調整該電感。這是調整天線時遇到的典型問題。理論與實踐間存在著明顯的差別。用戶可添加一個電容器,但請注意,如果添加某個電感,Smith圖會向一定的方向移動。圖35顯示的是使用實際組件的最終Smith圖表。

圖35.使用實際組件的Smith圖表

圖中也顯示了頻率分別為2402MHz、2440MHz和2480MHz的標志1、2和3接近Smith圖表上的(50,0)點。顯示的是一個良好的匹配。

下面制圖顯示了組件值的回撥損耗。大于15db的回波損耗符合我們的應用。

圖36.使用實際組件時的回波損耗

如同圖中所示,標志1、2和3的回波損耗大于15db。

使用塑料和人體接觸來調整調試

PCB的塑料外殼更改了天線調整。所有天線均受到近場或遠場物體的影響。如果是一個窄帶天線,它受近場物體的影響幾率非常大。

塑料外殼和附近移動的電池線纜可使天線完全失調,并且在2.402G到2.482G的優(yōu)選頻帶內它的回波損耗會低于10db。因此,調試PCB空板后,需要使PCB保持在塑料外殼內,并使用鼠標重新檢測調試。這樣操作很復雜,尤其是還要將同軸電纜引出塑料裝配外。

通過在ID內鉆出一小孔,可以將該同軸電纜引出去。最后使用塑料外殼或將一只手放在塑料外殼上面(如同用戶使用鼠標時)進行檢查調試效果。所觀察到的回波損耗的影響最小。