2.4G ZigBee模塊設(shè)計(jì)的信號完整性仿真技術(shù)應(yīng)用

自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展。而當(dāng)前被廣泛研究的ZigBee 技術(shù)則正是一種為人們提供廉價(jià)的、極低復(fù)雜度、低成本和低功耗的低速率無線通信技術(shù)。這種無線技術(shù)具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好、安全性能高、成本低和時(shí)延短等特點(diǎn)受到廣泛歡迎。

ZigBee 名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag 形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為該技術(shù)的名稱。ZigBee 過去又稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，現(xiàn)統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。目前ZigBee技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如智能家居、煤礦監(jiān)控、電梯物聯(lián)網(wǎng)等，ZigBee電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

ZigBee 兼容的產(chǎn)品工作在IEEE802.15.4 的PHY 上，其頻段是免費(fèi)開放的，分別為2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。本文研究的技術(shù)采用的ZigBee產(chǎn)品工作頻段為2.4GHz，該頻段比傳統(tǒng)信號傳輸速度高出許多倍，因此板卡的設(shè)計(jì)要求也復(fù)雜很多。采用傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是無法滿足該射頻板的要求，我們需要采用針對射頻電路板的新技術(shù)--信號完整性仿真技術(shù)。

1微帶線阻抗匹配仿真與計(jì)算

1.1特征阻抗定義

對于高速電路來講，當(dāng)我們討論傳輸線時(shí)，不僅要考慮由于高速信號而引入的新的頻率因素，還要考慮由于高速信號傳輸而形成的不同的電路結(jié)構(gòu)。理論上講，傳輸線是由傳輸信號的信號線，即圖中的微帶線A，和該信號構(gòu)成參考回流路徑構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)，是由傳輸線上的信號特征決定的，再次強(qiáng)調(diào)，我們討論的不是導(dǎo)線上直流穩(wěn)態(tài)的靜電場分析，我們面臨的問題是在高速信號傳輸過程中瞬時(shí)電磁場的交替建立過程。所以，請?zhí)貏e注意，能夠?yàn)樾盘柧€提供回流路徑的不僅僅是通常意義的地平面，任何能夠和信號線之間建立電磁場聯(lián)系的導(dǎo)體，都能夠和信號線之間建立傳輸線。而我們研究的對象是所有這些傳輸線結(jié)構(gòu)中，能夠最有效提供回流路徑的那對傳輸線結(jié)構(gòu)。正如下圖中所示的那樣，對于高速信號的傳輸線，其能量的傳播是依靠電磁場在傳輸介質(zhì)上的交替變化完成的，那么它的傳輸路徑包含了：微帶線本身、回流路徑、以及微帶線和回流路徑之間的介質(zhì)。所以，對于一個(gè)特定的傳輸線而言，信號線和回流路徑之間構(gòu)成的是一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)。而其阻抗，即是構(gòu)成等效電路的各個(gè)因素的綜合結(jié)果。

當(dāng)理解了這樣的信號傳輸結(jié)構(gòu)之后，就不難理解分辨?zhèn)鬏斁€阻抗和電阻的區(qū)別了。當(dāng)談到傳輸線的阻抗時(shí)，是絕對不能用導(dǎo)體A的電阻來替代的，它實(shí)質(zhì)是在該傳輸介質(zhì)中某一點(diǎn)上所建立的電場及流經(jīng)該點(diǎn)的電流之間的關(guān)系，所構(gòu)成的傳輸介質(zhì)上的電場。因此談到傳輸線的阻抗，讀者一定要建立起“兩個(gè)導(dǎo)體”的結(jié)構(gòu)概念，而不僅僅是那個(gè)顯而易見的微帶線A。缺少了參考回流路徑，單一的微帶線A是無法建立電場的。

當(dāng)信號在傳輸線上傳輸時(shí)，每向前傳輸一個(gè)最小單元的等效電路，都要在所經(jīng)過的路徑上建立相應(yīng)的電磁場，并且有一定的電流流經(jīng)等效電路。這個(gè)最小單元的等效電路構(gòu)成的阻抗，相對傳輸線來講，就是此時(shí)此刻的瞬時(shí)阻抗。如果信號在此傳輸線上傳輸時(shí)，每個(gè)瞬時(shí)阻抗都完全一致，那么就將瞬時(shí)阻抗定義為該傳輸線的特征阻抗。

1.2微帶線概念

在PCB中，微帶線是一種用電介質(zhì)將導(dǎo)線與接地面隔開的傳輸線。印制跡線的厚度、寬度和跡線與接地面間介質(zhì)的厚度，以及電介質(zhì)的介電常數(shù)，決定微帶線的特征阻抗的大小。

微帶線的幾何結(jié)構(gòu)如圖-1所示，導(dǎo)帶的寬度W印在薄的接地的介質(zhì)基片上。

圖-1

W1和W2：傳輸線上下表面寬度;

T1：傳輸線的銅厚，如一盎司;

H1：介質(zhì)的厚度;

底面銅皮為傳輸線的參考平面，可為地平面也可以是電源平面。

根據(jù)“IPC-2141”規(guī)范，推薦的使用的微帶線參數(shù)計(jì)算公式如下：公式-1

微帶線特征阻抗計(jì)算公式：

Z0 ={87/［sqrt（Er+1.41）］}*ln［5.98H/（0.8W+T）］ 公式-1

其中，W為線寬，T為走線的銅皮厚度，H為走線到參考平面的距離，Er是PCB板材質(zhì)的介電常數(shù)。此公式必須在0.1《（W/H）《2.0，并且1《（Er）《15。

微帶線的寬度W越大，微帶線的特征阻抗Z0就越低。近似公式在微帶線寬度W遠(yuǎn)大于介質(zhì)厚度t時(shí)的精度較高，否則就需要加以修正。當(dāng)W與t相當(dāng)時(shí)，誤差約為百分之幾到百分之十幾。其中微帶線的寬度W遠(yuǎn)大于介質(zhì)厚度t也正是當(dāng)前PCB工藝所能實(shí)現(xiàn)的。

但對于PCB設(shè)計(jì)工程師來說，要控制PCB微帶線的特征阻抗，如果依靠上述公式計(jì)算非常不方便。在前些年，沒有專業(yè)的特征阻抗仿真軟件，當(dāng)PCB需要做阻抗匹配時(shí)工程師要花費(fèi)很多時(shí)間來計(jì)算微帶線的模型。后來POLAR SI8000軟件的誕生給阻抗匹配計(jì)算帶來了巨大的便利，目前全球大約有一半以上的PCB廠家都采用該軟件計(jì)算PCB傳輸線的特征阻抗。該軟件不僅使用簡單，阻抗匹配精度高，軟件提供了多種PCB傳輸線的模型。本文僅介紹如何用SI8000設(shè)計(jì)ZigBee模塊微帶線的特征阻。

因ZigBee射頻信號傳輸線的模型為微帶線，并且特征阻抗為50歐姆，根據(jù)PCB廠家的實(shí)際工藝要求，如果銅的厚度為1盎司，只需通過SI8000軟件計(jì)算出該微帶線的寬度即可控制該微帶線的特征阻抗。

具體步驟：運(yùn)行SI8000軟件，界面如下圖-2所示，選擇微帶線的模型為：Surface Microstrip 1B。第一層到第二層的厚度H1為4.5mil，微帶線的上下線寬相差（W1-W2）1mil，上表面線寬設(shè)為7mil，則下表面線寬8mil，介電參數(shù)為4.2，銅厚為1盎司，計(jì)算出來微帶線特征阻抗正好為51歐姆，滿足±10%的誤差要求。

圖-2

2 射頻輸出微帶線特征阻抗為何要匹配

在高頻信號傳輸途徑，特征阻抗必須始終保持一致，一旦傳輸途徑的特征阻抗有突變，就會因阻抗突變引起的信號完整性問題。典型的信號完整性問題就是信號反射、信號過沖，更嚴(yán)重會引起振鈴。表現(xiàn)出的問題為信號傳輸波形發(fā)生扭曲、信號邊沿出現(xiàn)過沖、信號輸出功率變小、EMI輻射超標(biāo)等問題。下面我們通過Hyper Lynx信號完整性仿真軟件，介紹2.4G射頻板阻抗不匹配引起的幾種問題。

Hyper Lynx仿真軟件是PADS公司開發(fā)的一款信號完整性仿真軟件，該軟件主要用于高速電路設(shè)計(jì)的仿真與應(yīng)用。該軟件可以仿真信號傳輸線的特征阻抗、傳輸線EMI輻射、傳輸線磁場分布情況、傳輸線時(shí)序等很多問題，該軟件為高速電路設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。

本人在設(shè)計(jì)2.4G ZIGBEE模塊時(shí)，第一版因射頻輸出線特征阻抗沒有計(jì)算好，導(dǎo)致該模塊輸出功率偏小，EMI輻射超標(biāo)且模塊的接收靈敏度較低。第一版模塊如下圖-3所示

圖-3

2.1阻抗不匹配導(dǎo)致射頻信號輸出功率變小

利用Hyper Lynx仿真軟件計(jì)算圖-3模塊的射頻傳輸線，特征阻抗值為16.5歐姆，如下圖-4，

圖-4

通過圖-4可以得知，該傳輸線的特征阻抗的實(shí)際值和理論值偏離過大，導(dǎo)致射頻信號輸出時(shí)引起信號完整性問題，最直觀的表現(xiàn)就是輸出功率偏小。理論值為21DBm，實(shí)際值為18DBm，也就是說這根傳輸線上損失功率為3DBm。為了驗(yàn)證我們的分析是否正確，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量PCB板的射頻傳輸線的損耗值。經(jīng)測量，該值為2.95DBm，剛好符合分析結(jié)果。

2.2阻抗不匹配導(dǎo)致射頻板接收靈敏度降低

我們再對該板卡做接收靈敏度測量，經(jīng)測量，該板卡接收靈敏度，比市場上其他公司設(shè)計(jì)的模塊的接收靈敏度低。該模塊采用的運(yùn)放的接收靈敏度值為-115DBm，而實(shí)際測量下來只有-107DBm。初步分析，可能是因傳輸線的阻抗不連續(xù)、阻抗突變引起的信號波形失真，最終導(dǎo)致接收靈敏度降低。只要通過支持2.4GHz的示波器看一下該板子的實(shí)際輸出波形即可，如果信號有失真，則分析的結(jié)果就沒有問題。但是，目前很少能找到速度超過1GHz的示波器，要找到2.4GHz的示波器就更難了。不過雖然2.4GHz的示波器實(shí)物不好找，我們可以通過仿真軟件來驗(yàn)證該問題。

Hyper Lynx仿真軟件有個(gè)高速示波器仿真功能，通過該軟件，可以對該傳輸線在2.4G頻段的信號進(jìn)行波形仿真，結(jié)果如圖-5所示，紅線為理論輸出波形，綠線為實(shí)際輸出波形，不難發(fā)現(xiàn)該波形有明顯的震蕩，和我們預(yù)期的分析結(jié)果相符合。

圖-5

2.3阻抗不匹配導(dǎo)致射頻板EMI輻射超標(biāo)

同樣，對該板子做EMI輻射測試，發(fā)現(xiàn)該板子的EMI輻射在2.4GHz到5GHz的范圍超過CE標(biāo)準(zhǔn)。通過Hyper Lynx仿真軟件的虛擬頻譜分析儀仿真結(jié)果如下圖-6所示。

圖-6

圖中黃色凸起代表EMI輻射在不同頻段的分量，很明顯EMI輻射從2.4G開始一直到10GHz都很強(qiáng)。

綜上所述，因特殊阻抗不匹配，導(dǎo)致第一版2.4GHz射頻板存在以下三個(gè)問題：

1、輸出功率小;

2、接收靈敏度低;

3、EMI輻射超出CE標(biāo)準(zhǔn)。

重新計(jì)算好傳輸線特征阻抗，改版后的特征阻抗如下圖-7所示，特征阻抗值為50.8歐姆。

圖-7

板子傳輸線的波形仿真如下圖-8所示，實(shí)際輸出波形幾乎和理論波形相同。

圖-8

再對板子進(jìn)行EMI輻射仿真，結(jié)果如圖-9所示，新板子在10GHz范圍內(nèi)EMI輻射幾乎看不到。

圖-9

經(jīng)過測量，改版后的射頻板的輸出功率大于20DBm，接收靈敏度也比之前板子的高，EMI輻射也滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 微帶線特征阻抗為何要滿足50歐姆

ZigBee射頻PA輸出的特征阻抗為50歐姆，天線的特征阻抗也為50歐姆，此時(shí)只有傳輸線的特征阻抗為50歐姆時(shí)，信號輸出功率最大，并且產(chǎn)生的信號完整性問題也最少。

4 結(jié)束語

眾所周知，ZigBee無線射頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，但2.4G ZigBee射頻板設(shè)計(jì)難度相對要高，需要注意的問題也比較多，因此在一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。如果在設(shè)計(jì)的過程中能夠掌握一些好的仿真工具，這樣可以提高設(shè)計(jì)的效率，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，從而減少產(chǎn)品的開發(fā)周期，最終達(dá)到減少開發(fā)費(fèi)用的目的。Hyper Lynx仿真軟件的推出給高速電路設(shè)計(jì)帶來了很大的便利，通過該軟件可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，可以在PCB設(shè)計(jì)就能得知電路板存在的許多EMC問題，提前預(yù)防產(chǎn)品存在的風(fēng)險(xiǎn)。