LoRa天線電路設(shè)計(jì)四大要點(diǎn)

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(zhǎng)，由于很大部分群體對(duì)LoRa等射頻技術(shù)均是初次接觸，在做產(chǎn)品的過(guò)程中，通常會(huì)遇到棘手的射頻電路設(shè)計(jì)問(wèn)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(shí)，需要在天線接頭與模塊的天線引腳之間預(yù)留一個(gè)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(gè)π型匹配電路是為了當(dāng)天線嚴(yán)重偏離50歐姆時(shí)，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(shí)，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(gè)匹配元件才需要進(jìn)行匹配調(diào)整。

【圖1】 LoRa模塊應(yīng)用的預(yù)留匹配電路

理論上，無(wú)論天線阻抗在任何值，都可以通過(guò)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(gè)內(nèi)阻會(huì)吸收能量，若天線阻抗太?。◣讱W姆）或大（上千歐姆）的話，通過(guò)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(shuō)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(píng)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(lái)設(shè)計(jì)，因此當(dāng)微帶線特征阻抗也是50歐姆時(shí)，三者得到了最佳匹配。

【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(guò)線線寬來(lái)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(guò)軟件自己計(jì)算線寬，從而把阻抗控制在我們期望的范圍。

【圖3】LoRa學(xué)習(xí)評(píng)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(shí)，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(shí)，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(lái)設(shè)定。模塊天線引腳兩側(cè)的地焊盤(pán)必須良好接地。

【圖4】 ZM470SX-M評(píng)估板微帶線示例

由于470MHz電磁波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，如果這段微帶線走線長(zhǎng)度不超過(guò)20mm時(shí)，走線特征阻抗在25~75歐姆范圍對(duì)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(guò)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?cè)u(píng)估板一樣的配置參數(shù)，并使用我們?cè)u(píng)估板上的天線，通信效果卻明顯比我們的評(píng)估板差很多。與通信距離相關(guān)的無(wú)非就發(fā)射功率、接收靈敏度和天線這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其中前面兩個(gè)參數(shù)在我們模塊出廠家時(shí)有測(cè)試過(guò)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(gè)參數(shù)，其它兩個(gè)參數(shù)幾乎不會(huì)因用戶的板子不同而發(fā)生較大的變化。

【圖5】 ZM470SX-M評(píng)估板PCB示例

在空氣中，頻率為470MHz的電磁波波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)，即31.5CM。實(shí)際應(yīng)用中，絕大部分的產(chǎn)品并沒(méi)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(shí)，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(gè)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(shí)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(guò)孔來(lái)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(gè)方向輻射相等的能量，如同我們講話一樣，有的方向聽(tīng)到的聲音強(qiáng)，有的方向弱。安裝天線的時(shí)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(hào)，要做到這一點(diǎn)，必須先知道天線的輻射方向才行。

在沒(méi)有暗室等專業(yè)天線測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的情況下，那如何測(cè)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(cè)試離產(chǎn)品一定距離的信號(hào)強(qiáng)度，旋轉(zhuǎn)被測(cè)試的產(chǎn)品，并記錄各個(gè)方向的信號(hào)強(qiáng)度，從而可以繪制出產(chǎn)品的天線輻射大致方向圖。

【圖6】輻射方向測(cè)試

靠近墻壁、門(mén)和金屬面等反射面安裝時(shí)，需要注意反射帶來(lái)的影響，理論和測(cè)試結(jié)果都證明了以下的結(jié)論：

最佳位置： 最差位置：

最佳與最差位置相距λ/4交替出現(xiàn)；

RX1優(yōu)于RX2，例如470MHz時(shí)，離反射面16CM效果遠(yuǎn)優(yōu)于32CM。

【圖7】電磁波的反射