【導讀】RF工程師在設計芯片和天線(xiàn)間的阻抗匹配時(shí)，根據數據手冊的參數進(jìn)行匹配設計，最后測試發(fā)現實(shí)際結果和手冊的性能大相徑庭，你是否考慮過(guò)為什么會(huì )出現這么大的差別？匹配調試過(guò)程中嘗試不同的電容、電感，來(lái)回焊接元器件，這樣的調試方法我們能改善嗎？
1 理想的匹配
通信系統的射頻前端一般都需要阻抗匹配來(lái)確保系統有效的接收和發(fā)射，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)通信系統中，國家對發(fā)射功率的大小有嚴格要求，如不高于+20dBm；若不能做到良好的匹配，就會(huì )影響系統的通信距離。
射頻前端最理想的情況就是源端、傳輸線(xiàn)和負載端都是50Ω，如圖1。但是這樣的情況一般不存在。即使電路在設計過(guò)程中仿真通過(guò)，板廠(chǎng)制作過(guò)程中，線(xiàn)寬、傳輸線(xiàn)與地平面間隙和板厚都會(huì )存在誤差，一般會(huì )預留焊盤(pán)調試使用。
圖1 理想的阻抗匹配
2 造成與芯片手冊推薦電路偏差大的原因？
從事RF電路設計的工程師都有過(guò)這樣的經(jīng)驗，做匹配電路時(shí)，根據數據手冊給的S參數、電路拓撲結構、元器件的取值進(jìn)行設計，最后得到的結果和手冊上的差別很大。這是為什么呢？
其主要原因是對射頻電路來(lái)說(shuō)，“導線(xiàn)”不再是導線(xiàn)，而是具有特征阻抗。如圖2所示，射頻傳輸線(xiàn)看成由電阻、電容和電感構成的網(wǎng)絡(luò )，此時(shí)需要用分布參數理論進(jìn)行分析，參考資料[4][7]。
圖2 傳輸線(xiàn)模型
特征阻抗與信號線(xiàn)的線(xiàn)寬(w)、線(xiàn)厚(t)、介質(zhì)層厚度(h)和介質(zhì)常數(ε)有關(guān)。其計算公式如下:
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、線(xiàn)寬和線(xiàn)厚成反比。
因為芯片的應用場(chǎng)景不同，雖然電路設計一樣，但是設計的PCB受結構尺寸、器件種類(lèi)、擺放位置等因素的影響，會(huì )導致板材、板厚、布線(xiàn)的不同，引起特征阻抗的變化。當我們還是沿用手冊給的參數進(jìn)行匹配時(shí)，并不能做到良好阻抗匹配，自然會(huì )出現實(shí)際測試的結果與手冊給的結果偏差較大的情況。
雖然我們不能完全照搬芯片手冊電路的所有參數，但可以參考其中的拓撲結構，如π型、T型或者L型等。那接下來(lái)我們應該如何調試那些參數呢？
3 常規的調試方法
完成PCB設計之后，進(jìn)入調試過(guò)程，有的工程師對這個(gè)過(guò)程茫然失措，不知道該如何入手。有的工程師會(huì )回到數據手冊，把手冊提供的參數直接焊接到PCB上，通過(guò)頻譜儀觀(guān)察功率輸出，若不符合期望值；則調整其中的電容和電感，改大或者調小，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板上分布參數的阻抗，只能不停的焊接更換參數調試，導致效率很低，而且并不適合調試接收鏈路的阻抗匹配。
4 是否有更有效的調試方法？
如果我們能知道PCB板上分布參數的阻抗，就可以通過(guò)史密斯圓圖進(jìn)行有據可循的阻抗匹配，減少無(wú)謂的參數嘗試。
分布參數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、結構等條件，其工作量不亞于直接調試；即使能建立模型，如何保證其準確性也值得考究；
● 使用網(wǎng)絡(luò )分析儀直接測量，該方法直觀(guān)而且結果準確。
下面介紹如何通過(guò)網(wǎng)分直接得到特征阻抗。
下圖3是調試與匹配電路參考圖，由芯片模塊、射頻開(kāi)關(guān)和天線(xiàn)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 )分析儀分別測量傳輸線(xiàn)到天線(xiàn)的阻抗和傳輸線(xiàn)到芯片端口的阻抗。通過(guò)匹配之后，希望從該點(diǎn)往天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)對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；
● 雖然匹配電路次數變多，但是每次匹配元器件數目少了，減少相互間影響，提高匹配效率。
圖3 調試與匹配參考圖
5 測量分布參數阻抗
測量之前，將網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行校準。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，因為對高頻電路來(lái)說(shuō)，焊錫容易產(chǎn)生寄生效應，影響測量結果。
圖4 焊接調試器件
進(jìn)行天線(xiàn)匹配調試期間，需要斷開(kāi)同芯片的連接。進(jìn)行芯片匹配調試期間，需要斷開(kāi)同天線(xiàn)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)行調試。
需要特別注意的是測量發(fā)射鏈路的阻抗，一般來(lái)說(shuō)我們只要得到靜態(tài)或者小信號發(fā)射的阻抗就能幫助我們完成設計，因為芯片發(fā)射時(shí)處于線(xiàn)性放大區，得到阻抗后只要微調器件，就能達到最佳的輸出功率。如果需要更準確工作狀態(tài)時(shí)的輸出阻抗呢？當然也是可以的，這就需要我們加入更多的器件，如圖5。
圖5 測量芯片發(fā)射時(shí)的S22
在圖5中，被測放大器就是芯片的功率放大器，使其進(jìn)入最大功率輸出；而測試信號源則提供一個(gè)反向輸入信號a2到放大器；放大器輸出端所產(chǎn)生的反射信號b2 通過(guò)定向耦合器被接收機檢測到；b2與a2之比即為放大器的大信號S22 參數。
需要注意兩點(diǎn)：
● 被測芯片和測試信號源之間需要加定向隔離器，防止大信號損壞信號源；
● 芯片輸出頻率和信號測試頻率要異頻。
具體的調試步驟如下：
● 校準網(wǎng)絡(luò )分析儀，校準到連接到板上的射頻線(xiàn)纜；
● 通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分析儀測量阻抗；
● 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；
● 測量無(wú)線(xiàn)芯片的輸出和輸入是否滿(mǎn)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，信號容易流入GND；
● 電容、電感值不要過(guò)小，因為存在誤差，容值、感值越小，誤差影響越大，影響批次的穩定性；
● 電容、電感選擇常規值，方便替換和備料采購。
6 小結
阻抗匹配過(guò)程中，我們首先要理解數據手冊的參數，找到指導電路設計的依據，如電路拓撲圖、S參數等；在調試過(guò)程中，借助網(wǎng)絡(luò )分析儀測量實(shí)際電路的阻抗，使用史密斯圓圖輔助我們完成設計；最后對電容、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。
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