RF芯片和天線間的阻抗匹配設(shè)計(jì)

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。

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]。

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:

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(lèi)、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。

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。

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。

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。






審核編輯：劉清