四個要點(diǎn)，幫你搞定LoRa天線匹配電路！

2017-08-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

LoRa 是LPWAN通信技術(shù)中的一種,是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式,為用戶提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng),進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。

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LoRa技術(shù)與其他無線技術(shù)對比

目前,LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行,包括433、868、915 MHz等。

LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗(電池壽命長)、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性。

LoRa 網(wǎng)絡(luò)主要由終端(可內(nèi)置 LoRa 模塊)、網(wǎng)關(guān)(或稱基站)、Server 和云四部分組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

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隨著LoRa技術(shù)在業(yè)內(nèi)的持續(xù)發(fā)熱,加上其獨(dú)特優(yōu)越的傳輸性能,運(yùn)用LoRa技術(shù)的群體正在爆發(fā)式的增長,由于很大部分群體對LoRa等射頻技術(shù)均是初次接觸,在做產(chǎn)品的過程中,通常會遇到棘手的射頻電路設(shè)計(jì)問題,其實(shí)只要掌握幾大要點(diǎn),就基本可以發(fā)揮LoRa的最佳性能。

要點(diǎn)一、匹配電路設(shè)計(jì)

在原理圖設(shè)計(jì)時,需要在天線接頭與模塊的天線引腳之間預(yù)留一個π型匹配電路。天線的阻抗是受到電路板的鋪地、外殼和安裝角度等因素影響的,預(yù)留這個π型匹配電路是為了當(dāng)天線嚴(yán)重偏離50歐姆時,將其糾正到50歐姆。

默認(rèn)情況下,天線阻抗是比較接近50歐姆的,在下圖中的C17和C18不用焊接;而L2用220pF電容,或者1nH電感,再或者0歐電阻,三者均可。遇到特殊的情況時,比如天線安裝模具內(nèi)部、天線的體積很小或需要加強(qiáng)高次諧波抑制等,這三個匹配元件才需要進(jìn)行匹配調(diào)整。

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【圖1】 LoRa模塊應(yīng)用的預(yù)留匹配電路

理論上,無論天線阻抗在任何值,都可以通過π型匹配電路將其匹配到50歐姆。然而實(shí)際上電感電容都是有內(nèi)阻的,這個內(nèi)阻會吸收能量,若天線阻抗太小(幾歐姆)或大(上千歐姆)的話,通過匹配電路將其匹配到50歐姆去就失去了意義。原因在于大部分的能量已消耗在匹配元件的內(nèi)阻上。

要點(diǎn)二、微帶線走線規(guī)則

此處所說的微帶線指的是LoRa模塊的天線引腳到天線接頭之間的PCB走線。下圖是LoRa模塊ZM470SX-M評估板上的微帶線示例,由于模塊內(nèi)部阻抗以及天線阻抗都是以50歐姆標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì),因此當(dāng)微帶線特征阻抗也是50歐姆時,三者得到了最佳匹配。

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【圖2】 LoRa模塊郵票孔式天線接口

為得到50歐姆左右的微帶線,一方面可以向PCB生產(chǎn)廠家提阻抗加工要求,有能力的PCB廠家能夠根據(jù)板材參數(shù)通過線線寬來控制走線阻抗;另一方面可以從PCB廠家獲取板材參數(shù)后(主是介電常數(shù))通過軟件自己計(jì)算線寬,從而把阻抗控制在我們期望的范圍。

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【圖3】LoRa學(xué)習(xí)評估板

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),若用FR4的板材(介電常數(shù)在4.2~4.6之間),當(dāng)線寬為微帶線到參考層距離的2.2倍時,特征阻抗比較接近50歐姆。例如用雙面板的情形,板厚為0.8mm時,可取線寬為1.7mm。但必須注意,微帶線下面的鋪地必須是完整的,微帶線與鋪銅間距根據(jù)阻抗計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果來設(shè)定。模塊天線引腳兩側(cè)的地焊盤必須良好接地。

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【圖4】 ZM470SX-M評估板微帶線示例

由于470MHz電磁波的波長較長,如果這段微帶線走線長度不超過20mm時,走線特征阻抗在25~75歐姆范圍對性能影響不大,這種情況下建議使用25mil線寬即可。

要點(diǎn)三、PCB鋪地要求

我們遇到過很多這樣的情況:用戶將我們的模塊用到產(chǎn)品上,產(chǎn)品程序上使用與我們評估板一樣的配置參數(shù),并使用我們評估板上的天線,通信效果卻明顯比我們的評估板差很多。與通信距離相關(guān)的無非就發(fā)射功率、接收靈敏度和天線這三個關(guān)鍵參數(shù),其中前面兩個參數(shù)在我們模塊出廠家時有測試過的,不合格的產(chǎn)品是當(dāng)廢品處理掉的,而天線是因用戶的設(shè)計(jì)不同而不同。影響通信的距離主要就是天線這個參數(shù),其它兩個參數(shù)幾乎不會因用戶的板子不同而發(fā)生較大的變化。

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【圖5】 ZM470SX-M評估板PCB示例

在空氣中,頻率為470MHz的電磁波波長為63CM,若設(shè)計(jì)一款標(biāo)準(zhǔn)的半波偶極子天線,則這款天線至少為半個波長,即31.5CM。實(shí)際應(yīng)用中,絕大部分的產(chǎn)品并沒有給天線設(shè)計(jì)預(yù)留這么大的空間,所以普遍采用彈簧天線。使用這種彈簧天線時,天線接在不同的板子上,其性能參數(shù)是不一樣的。這是因?yàn)檫@種類型的天線,彈簧只是整個天線的一部分,另一部分是電路板上的地,故在電路鋪地的時候就得有講究了,總原則就是:一是要盡可以使天線垂直電路板安裝,二是要使鋪地的銅塊盡量大并且連續(xù),并依靠密集的過孔來使正反兩面的鋪地連續(xù)也是可行的。

要點(diǎn)四、天線安裝規(guī)范

在所有硬件參數(shù)調(diào)整好后,天線的安裝也是關(guān)鍵一步,天線輻射是有方向性的,并不是每個方向輻射相等的能量,如同我們講話一樣,有的方向聽到的聲音強(qiáng),有的方向弱。安裝天線的時候,需要將天線輻射最強(qiáng)的方向?qū)?zhǔn)接收的天線,接收天線才可能獲得最強(qiáng)的接收信號,要做到這一點(diǎn),必須先知道天線的輻射方向才行。

在沒有暗室等專業(yè)天線測試實(shí)驗(yàn)室的情況下,那如何測試天線的輻射方向呢?我們可以在最終確定產(chǎn)品后,讓其連續(xù)不斷發(fā)送數(shù)據(jù),并用頻譜分析儀測試離產(chǎn)品一定距離的信號強(qiáng)度,旋轉(zhuǎn)被測試的產(chǎn)品,并記錄各個方向的信號強(qiáng)度,從而可以繪制出產(chǎn)品的天線輻射大致方向圖。