LoRa天線(xiàn)電路設計四大要點(diǎn)

　　隨著(zhù)LoRa技術(shù)在業(yè)內的持續發(fā)熱，加上其獨特優(yōu)越的傳輸性能，運用LoRa技術(shù)的群體正在爆發(fā)式的增長(cháng)，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(guò)程中，通常會(huì )遇到棘手的射頻電路設計問(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、匹配電路設計

　　在原理圖設計時(shí)，需要在天線(xiàn)接頭與模塊的天線(xiàn)引腳之間預留一個(gè)π型匹配電路。天線(xiàn)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，預留這個(gè)π型匹配電路是為了當天線(xiàn)嚴重偏離50歐姆時(shí)，將其糾正到50歐姆。

　　默認情況下，天線(xiàn)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(xiàn)安裝模具內部、天線(xiàn)的體積很小或需要加強高次諧波抑制等，這三個(gè)匹配元件才需要進(jìn)行匹配調整。

　　【圖1】 LoRa模塊應用的預留匹配電路

　　理論上，無(wú)論天線(xiàn)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阻的，這個(gè)內阻會(huì )吸收能量，若天線(xiàn)阻抗太小(幾歐姆)或大(上千歐姆)的話(huà)，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阻上。

　　要點(diǎn)二、微帶線(xiàn)走線(xiàn)規則

　　此處所說(shuō)的微帶線(xiàn)指的是LoRa模塊的天線(xiàn)引腳到天線(xiàn)接頭之間的PCB走線(xiàn)。下圖是LoRa模塊ZM470SX-M評估板上的微帶線(xiàn)示例，由于模塊內部阻抗以及天線(xiàn)阻抗都是以50歐姆標準來(lái)設計，因此當微帶線(xiàn)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(xiàn)接口

　　為得到50歐姆左右的微帶線(xiàn)，一方面可以向PCB生產(chǎn)廠(chǎng)家提阻抗加工要求，有能力的PCB廠(chǎng)家能夠根據板材參數通過(guò)線(xiàn)線(xiàn)寬來(lái)控制走線(xiàn)阻抗;另一方面可以從PCB廠(chǎng)家獲取板材參數后(主是介電常數)通過(guò)軟件自己計算線(xiàn)寬，從而把阻抗控制在我們期望的范圍。

　　【圖3】LoRa學(xué)習評估板

　　根據經(jīng)驗，若用FR4的板材(介電常數在4.2~4.6之間)，當線(xiàn)寬為微帶線(xiàn)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(xiàn)寬為1.7mm。但必須注意，微帶線(xiàn)下面的鋪地必須是完整的，微帶線(xiàn)與鋪銅間距根據阻抗計算軟件計算結果來(lái)設定。模塊天線(xiàn)引腳兩側的地焊盤(pán)必須良好接地。

　　【圖4】 ZM470SX-M評估板微帶線(xiàn)示例

　　由于470MHz電磁波的波長(cháng)較長(cháng)，如果這段微帶線(xiàn)走線(xiàn)長(cháng)度不超過(guò)20mm時(shí)，走線(xiàn)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(xiàn)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(hù)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，并使用我們評估板上的天線(xiàn)，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(wú)非就發(fā)射功率、接收靈敏度和天線(xiàn)這三個(gè)關(guān)鍵參數，其中前面兩個(gè)參數在我們模塊出廠(chǎng)家時(shí)有測試過(guò)的，不合格的產(chǎn)品是當廢品處理掉的，而天線(xiàn)是因用戶(hù)的設計不同而不同。影響通信的距離主要就是天線(xiàn)這個(gè)參數，其它兩個(gè)參數幾乎不會(huì )因用戶(hù)的板子不同而發(fā)生較大的變化。

　　【圖5】 ZM470SX-M評估板PCB示例

　　在空氣中，頻率為470MHz的電磁波波長(cháng)為63CM，若設計一款標準的半波偶極子天線(xiàn)，則這款天線(xiàn)至少為半個(gè)波長(cháng)，即31.5CM。實(shí)際應用中，絕大部分的產(chǎn)品并沒(méi)有給天線(xiàn)設計預留這么大的空間，所以普遍采用彈簧天線(xiàn)。使用這種彈簧天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)接在不同的板子上，其性能參數是不一樣的。這是因為這種類(lèi)型的天線(xiàn)，彈簧只是整個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)垂直電路板安裝，二是要使鋪地的銅塊盡量大并且連續，并依靠密集的過(guò)孔來(lái)使正反兩面的鋪地連續也是可行的。

　　要點(diǎn)四、天線(xiàn)安裝規范

　　在所有硬件參數調整好后，天線(xiàn)的安裝也是關(guān)鍵一步，天線(xiàn)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(huà)一樣，有的方向聽(tīng)到的聲音強，有的方向弱。安裝天線(xiàn)的時(shí)候，需要將天線(xiàn)輻射最強的方向對準接收的天線(xiàn)，接收天線(xiàn)才可能獲得最強的接收信號，要做到這一點(diǎn)，必須先知道天線(xiàn)的輻射方向才行。

　　在沒(méi)有暗室等專(zhuān)業(yè)天線(xiàn)測試實(shí)驗室的情況下，那如何測試天線(xiàn)的輻射方向呢?我們可以在最終確定產(chǎn)品后，讓其連續不斷發(fā)送數據，并用頻譜分析儀測試離產(chǎn)品一定距離的信號強度，旋轉被測試的產(chǎn)品，并記錄各個(gè)方向的信號強度，從而可以繪制出產(chǎn)品的天線(xiàn)輻射大致方向圖。

　　【圖6】輻射方向測試

　　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，理論和測試結果都證明了以下的結論：

　　最佳位置：  

　　最佳與最差位置相距λ/4交替出現;

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

　　【圖7】電磁波的反射