射頻天線(xiàn)實(shí)現和調試的最佳實(shí)踐

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)設備的普及，如今需要強大的信號強度和高質(zhì)量的RF天線(xiàn)設計和集成，以實(shí)現最佳性能。無(wú)論是現成的產(chǎn)品還是高度定制的解決方案，天線(xiàn)集成都不是微不足道的，也不應該是事后的想法。必須將天線(xiàn)輸入阻抗匹配到50Ω，以確保從RF電路到天線(xiàn)的最大功率傳輸，而不會(huì )產(chǎn)生任何反射。

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)設備的普及，如今需要強大的信號強度和高質(zhì)量的RF天線(xiàn)設計和集成，以實(shí)現最佳性能。無(wú)論是現成的產(chǎn)品還是高度定制的解決方案，天線(xiàn)集成都不是微不足道的，也不應該是事后的想法。必須將天線(xiàn)輸入阻抗匹配到50Ω，以確保從RF電路到天線(xiàn)的最大功率傳輸，而不會(huì )產(chǎn)生任何反射。

射頻天線(xiàn)的關(guān)鍵實(shí)現方面

實(shí)現走線(xiàn)或芯片天線(xiàn)的最關(guān)鍵因素之一是天線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)電芯片的阻抗匹配。天線(xiàn)在組裝在產(chǎn)品中時(shí)必須進(jìn)行阻抗匹配，因為天線(xiàn)不匹配可能會(huì )導致以下后果：

減少范圍損失：阻抗不匹配會(huì )導致更多的信號反射，從而為天線(xiàn)輻射到自由空氣中提供更少的功率，從而縮小范圍

在特定所需工作頻率下減少天線(xiàn)的回波損耗：在所需的工作頻率下，天線(xiàn)應具有至少-10 dB或更小的回波損耗。阻抗失配會(huì )增加所需頻率范圍內的回波損耗，從而導致在該頻率范圍內傳輸到天線(xiàn)的RF功率減少

更高的耗電量：由于阻抗不匹配引起的信號反射導致天線(xiàn)輻射的功率較小。這將要求RF芯片以更大的功率傳輸信號以達到所需的范圍，從而增加整體功耗

由于信號反射導致射頻芯片發(fā)熱：由于阻抗不匹配引起的信號反射導致射頻能量回流到發(fā)射器中，從而導致發(fā)射器發(fā)熱，從而延長(cháng)發(fā)射器的使用壽命

不可靠的數據吞吐量：由于阻抗不匹配，信號反射引起的較高數據包誤碼率（PER）和RF收發(fā)器的數據吞吐量可能不是該產(chǎn)品的最佳選擇

大多數PCB走線(xiàn)或芯片天線(xiàn)被構造為四分之一波單極子，這需要所有PCB層上的堅實(shí)接地層才能正常工作。該接地層被稱(chēng)為“對位”，并且很重要，因為它充當單極天線(xiàn)的假極，使其像完整的偶極子天線(xiàn)一樣運行。

平衡的長(cháng)度和寬度應至少為 λ/4 個(gè)單位。下圖使用芯片天線(xiàn)實(shí)現示例顯示了各種接地層尺寸的影響。

此外，PCB材料也會(huì )影響天線(xiàn)系統阻抗。特別是對于FR4型基材，其還取決于編織圖案，根據編織的緊密性導致材料的介電常數發(fā)生變化，并且由于寄生電容的變化可能導致局部阻抗不連續。對于PCB走線(xiàn)天線(xiàn)的實(shí)現，設計人員必須嚴格遵循天線(xiàn)設計指南和天線(xiàn)制造商在走線(xiàn)寬度、層堆疊、平衡尺寸、PCB材料和材料編織圖案方面的建議，以便在實(shí)現走線(xiàn)或芯片天線(xiàn)時(shí)獲得最佳結果。天線(xiàn)系統阻抗還受到其周?chē)钠渌娐方M件和產(chǎn)品外殼材料的影響，應予以考慮。

使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀 （VNA） 調試天線(xiàn)

阻抗不匹配可以使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀 （VNA） 進(jìn)行調試。默認情況下，VNA 在校準平面上進(jìn)行測量，并且需要在進(jìn)行測量之前進(jìn)行校準。為了匹配天線(xiàn)和RF芯片之間的阻抗，需要測量回波損耗（RL），也稱(chēng)為S11參數。

讓我們了解矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA）的校準方法

大多數 VNA 都帶有 N 型連接器作為其端口。調試任何天線(xiàn)系統的第一步是使用 N 型到 SMA 電纜和各種（開(kāi)路、短路和 50Ω）校準標準，在校準平面上校準 VNA。VNA必須連接到天線(xiàn)系統，以便匹配網(wǎng)絡(luò )也包含在測量過(guò)程中。這可以通過(guò)在“MC1”處安裝一個(gè)0Ω串聯(lián)電阻并使用稱(chēng)為“端口擴展”的合適電纜來(lái)完成。端口擴展必須具有已知的長(cháng)度和已知的速度因子，因為需要將此數據饋入VNA，以補償端口擴展在測量過(guò)程中增加到系統的額外長(cháng)度和阻抗。此外，應選擇端口擴展，使其特性阻抗與目標系統阻抗相匹配。

校準VNA的另一種方法是使用匹配的元件焊盤(pán)在PCB本身上創(chuàng )建短路/開(kāi)路/負載（SOL）條件。這不需要應用端口擴展。根據董事會(huì )的實(shí)施情況，應從兩者中選擇合適的方法。

使用史密斯圖進(jìn)行阻抗匹配

VNA以復數R+jX Ω形式提供天線(xiàn)系統的阻抗，其中R是由純電阻引起的阻抗的實(shí)部，X是由電抗引起的阻抗的復數部分。獲得天線(xiàn)系統的復阻抗后，可以將其繪制在“史密斯圖”上，以確定所需匹配組件的值和拓撲。如今，這可以使用諸如“ SimSmith”之類(lèi)的程序輕松完成。

將天線(xiàn)系統的復阻抗饋入 SimSmith 將導致在史密斯圖上的相應點(diǎn)上繪制一個(gè)點(diǎn)。如上圖所示，天線(xiàn)系統的復阻抗可以位于史密斯圖的電感或電容兩半中。通過(guò)利用幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)確定匹配的網(wǎng)絡(luò )組件以使天線(xiàn)系統與目標匹配負載匹配：

串聯(lián)電感沿恒定電阻圈順時(shí)針?lè )较蛞苿?dòng)繪制的復阻抗點(diǎn)

串聯(lián)電容器沿恒定電阻圈以逆時(shí)針?lè )较蛞苿?dòng)繪制的復阻抗點(diǎn)

并聯(lián)電感沿恒定圓逆時(shí)針?lè )较蛞苿?dòng)繪制的復阻抗點(diǎn)

并聯(lián)電容器沿恒定電導圈順時(shí)針?lè )较蛞苿?dòng)繪制的復阻抗點(diǎn)

串聯(lián)或并聯(lián)配置中可能需要多個(gè)組件或多個(gè)組件的組合，以匹配目標阻抗

最好使用串聯(lián)電感器和并聯(lián)電容器，因為增加兩者的元件值會(huì )導致繪制的阻抗點(diǎn)沿恒定電阻/電導圓的軌跡進(jìn)一步移動(dòng)。這是有利的，因為電感或電容器的極低值實(shí)際上無(wú)法實(shí)現

使用單個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )通常會(huì )導致系統帶寬下降，可以使用匹配網(wǎng)絡(luò )的多個(gè)階段來(lái)實(shí)現適當的匹配和最佳帶寬

例如，下圖顯示了使用串聯(lián)電感和并聯(lián)電容器將復阻抗為25+j8.5Ω的天線(xiàn)系統與目標阻抗為50Ω的匹配。

盡管阻抗匹配看起來(lái)很復雜，但它確保了任何無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的最佳性能，否則天線(xiàn)可能會(huì )成為產(chǎn)品性能的瓶頸。