目前在汽車(chē)領(lǐng)域基本上都實(shí)現了遙控鑰匙進(jìn)入、無(wú)鑰匙進(jìn)入，啟動(dòng)的方式。無(wú)論是RKE (Remote Keyless Entry) 還是PKE (Passive Keyless Entry) 系統，都會(huì )用到UHF接收模塊。而UHF模塊的設計對整個(gè)系統性能來(lái)說(shuō)起著(zhù)非常重要的作用。

 

UHF 接收模塊一般由一下幾部分組成：天線(xiàn)，聲表面波濾波器（SAWF，可選），外部低噪聲放大器（Ext. LNA，可選）, UHF接收芯片（UHF Receiver），以及這些元器件之間的阻抗匹配電路。如Fig 1.

對于整個(gè)接收模塊來(lái)說(shuō)，在PCB設計好的情況下，硬件上性能的優(yōu)化，主要就集中在了如何進(jìn)行各個(gè)子模塊之間的阻抗匹配，使得信號在各個(gè)模塊之間傳輸時(shí)損失最小。這篇文章主要來(lái)談一下UHF接收模塊的阻抗匹配的方法。

 

總體上來(lái)說(shuō)，阻抗匹配有兩種方式：一種是直接匹配，另一種是間接匹配。

 

所謂直接匹配，就是說(shuō)把系統前級模塊的輸出阻抗和下級模塊的輸入阻抗，只通過(guò)一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )，直接進(jìn)行匹配。 如Fig 2所示。由于匹配的目的是要得到最優(yōu)的功率傳輸，所以這個(gè)匹配又可以叫做功率匹配或者共軛匹配。例如，假設前級模塊的輸出阻抗是Zo=x+jy ohm, 后級模塊的輸入阻抗是Zin=a+jb ohm，通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò )后，從前級模塊輸出往后級看去阻抗為Zo’=Zo*，即Zo’=x-jy. 這樣前后級就可以說(shuō)共軛匹配就完成了。

間接匹配，如Fig 3所示。把前級輸出阻抗和后級輸入阻抗，分別匹配到50ohm。這樣前后級就通過(guò)50ohm這個(gè)“中間人”匹配到了一起，這就是所謂的間接匹配。

對于系統來(lái)說(shuō)，決定是選擇直接匹配還是間接匹配有很多因素要可慮。一般來(lái)說(shuō)，直接匹配優(yōu)點(diǎn)主要是所需匹配元器件少，損耗自然也會(huì )小一點(diǎn)，占用PCB空間小，易于PCB設計；缺點(diǎn)是有時(shí)前級的輸出阻抗比較難測量，只能通過(guò)查詢(xún)相關(guān)的規格書(shū)來(lái)得到，結果有可能會(huì )誤差比較大；由于模塊間是任意阻抗的匹配，而一般RF測試設備都是50ohm輸入/輸出阻抗，想測試每個(gè)模塊節點(diǎn)間的性能就很不方便。相反，間接匹配需要更多的匹配元件，占用更多的PCB空間；但優(yōu)點(diǎn)同樣突出，由于模塊間都是匹配到50ohm，每個(gè)模塊節點(diǎn)的性能測試起來(lái)都比較方便。

 

本文將以下面的 (Fig 4) 模塊構架為例來(lái)介紹如何進(jìn)行一步一步的匹配?？梢钥闯隼锩婕劝碎g接匹配又包含直接匹配。

 

在實(shí)驗室進(jìn)行阻抗匹配一般需要用到的設備是：網(wǎng)絡(luò )分析儀（用于阻抗的測試和匹配），RF 信號發(fā)生器（用于匹配后性能的測試和確認），SmithChart仿真軟件，有時(shí)還會(huì )用到數字型號發(fā)生器。在汽車(chē)門(mén)禁系統，一般用到的頻段是315MHz, 434MHz, 868MHz, 915MHz，我們以434MHz頻段為例來(lái)說(shuō)明整個(gè)流程。

 

本文以下面的 (Fig 4) 模塊構架為例來(lái)分部介紹如何進(jìn)行阻抗匹配。

阻抗匹配的流程一般為：天線(xiàn)模塊的匹配，射頻接收器和SAWF 輸出匹配，SAWF輸入端的匹配。

 

 

由于使用天線(xiàn)總類(lèi)不同，天線(xiàn)的阻抗也會(huì )有很大不同，要么表現為感性阻抗，容性阻抗或者純電阻。假設測出來(lái)的天線(xiàn)阻抗是Zant=20+j200，來(lái)看一下如何進(jìn)行匹配。

 

從Zant到50ohm阻抗轉換有很多種拓撲結構，以最少元器件原則一般L型網(wǎng)絡(luò )就可以實(shí)現。那具體L型網(wǎng)絡(luò )的L&C, C&L, C&C, L&L的分布，可以按照具體要選擇高通濾波型，低通濾波器型，帶通濾波器或者是隔直流型等形式。

 

通過(guò)SmithChart 仿真器仿真 (Fig 5)可以看到，天線(xiàn)通過(guò)串聯(lián)2.1pF和并聯(lián)一個(gè)9pF的電容，在Fig 4的A點(diǎn)可以得到ZA=50ohm的阻抗。這種匹配是最經(jīng)濟的一種方法，只要兩個(gè)電容就可以實(shí)現。

然而如果既要完成阻抗匹配，又要實(shí)現低通濾波效果，則可以采用Fig 6的形式來(lái)實(shí)現，

以此類(lèi)推也可以得到具有高通濾波的匹配網(wǎng)絡(luò )。

 

天線(xiàn)的匹配通過(guò)這種方法就可以完成了。在A(yíng)點(diǎn)向天線(xiàn)看過(guò)去，經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò )阻抗轉換就得到了50ohm的阻抗。

 

通過(guò)上述匹配后，天線(xiàn)的性能可以直接在專(zhuān)門(mén)的電波暗室里測試。天線(xiàn)的增益，方向性，場(chǎng)分布等性能都是比較重要的參數，對整個(gè)系統性能影響也比較大。

 

需要注意的是，由于模塊外面都有外殼然后放在車(chē)內工作，天線(xiàn)的性能受外殼和車(chē)內環(huán)境影響比較大。在進(jìn)行天線(xiàn)阻抗匹配的時(shí)候一定要注意實(shí)際工作的環(huán)境，最好是把模塊裝進(jìn)外殼，放在車(chē)內固定位置進(jìn)行阻抗匹配。如果這樣做實(shí)在困難，也可以使用汽車(chē)臺架來(lái)操作。

 

在Fig 4中可以看出，SAWF輸出和射頻接收器之間只用到了一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )，這就是上面提到的直接匹配。在確定要使用SAWF的系統中，一般只要確認SAWF加上射頻接收器的靈敏度就可以了，因為SAWF的插入損耗一般是已知的。當然，如果確實(shí)需要單獨測試射頻接收器的靈敏度，可以在這里再加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )，把SAWF和射頻接收器分別匹配到50ohm，前提是在他們之間有足夠的空間來(lái)布置元器件。

 

 

在射頻接收器的數據手冊里都會(huì )標明射頻輸入端的輸入阻抗值或者等效的R//C值是多少。有些讀者會(huì )直接用這個(gè)值來(lái)作為芯片的射頻輸入的值來(lái)進(jìn)行匹配。這里需要說(shuō)明的是，這個(gè)值一般是芯片設計的理想值，具體到不同的PCB板的話(huà)普遍有比較大的差異。

 

正確的做法是，給接收器通電，通過(guò)上位機或者芯片內部程序使芯片處于接收狀態(tài)，如果內部有低噪聲放大器的話(huà)，要使它處于最大增益狀態(tài)，同時(shí)調整網(wǎng)絡(luò )分析儀的輸出功率，使得芯片內部放大電路工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)，防止其飽和，從而影響結果。一般功率設定在-60dBm以下就可以滿(mǎn)足要求，具體參考芯片的數據手冊。

 

這里我們假設測得D點(diǎn)的輸入阻抗為Zrx_in=200

 

 

由于SAWF的輸出阻抗很難在實(shí)驗室測量，我們暫時(shí)假設它的值為數據手冊所示。比如

 

Zout=60-j150.

 

 

窄帶SAWF一般是設計用于功率匹配，即共軛匹配。

 

這一步主要是用到Smithchart 仿真工具，暫時(shí)不需要網(wǎng)絡(luò )分析儀。因為SAWF的輸出阻抗難以測量，我們以假設為基礎仿真出所需要的匹配網(wǎng)絡(luò )，在后面步驟，我們會(huì )來(lái)驗證這個(gè)假設。

由Fig 8看出，射頻接收器輸入端阻抗，通過(guò)并聯(lián)2.7pF電容和串聯(lián)89nH電感，在C點(diǎn)得到阻抗Zout*=60+j150 ohm，正是SAWF 輸出阻抗Zout的共軛阻抗。

 

到這里，射頻接收器輸入端和SAWF輸出端的匹配基本完成。接下來(lái)的步驟會(huì )反過(guò)來(lái)驗證這一步的結果。

 

 

這一步的匹配和步驟3聯(lián)系比較緊密。首先，接收器和網(wǎng)分的設置和步驟1相同。

在A(yíng)點(diǎn)用網(wǎng)分測量輸入阻抗，調整輸入匹配網(wǎng)絡(luò )，使得測得的A點(diǎn)的阻抗為50ohm。具體方法在“參考1”中有詳細描述。

假設在A(yíng)點(diǎn)測得的阻抗類(lèi)似Fig 9中所示?？梢钥吹酱藭r(shí)阻抗是ZA=43-j9 ohm。我們把網(wǎng)絡(luò )分析儀測量格式改成駐波比和Log Mag，確認一下匹配性能，如圖Fig 10, Fig 11?？梢钥吹絍SWR=1.39，Log Mag=-17.5dB。一般情況下要求Log Mag<-10dB，所以目前的匹配是很好的。

在Fig 9中我們注意到434MHz附近有一個(gè)卷曲的環(huán)，這是由于SAWF的原因產(chǎn)生的?？梢钥吹竭@里的環(huán)非常小，而且距離50ohm也非常近，說(shuō)明步驟3和4的匹配是成功的。

 

如果結果顯示卷曲的環(huán)比較大的話(huà)，說(shuō)明在步驟3中的匹配產(chǎn)生了偏差，需要調整一下匹配網(wǎng)絡(luò )元器件的值，直至達到想要的結果。

 

 

至此，整個(gè)匹配工作基本上完成，下面還需要對匹配的結果進(jìn)行測試驗證。

 

一般是用射頻信號發(fā)生器從A點(diǎn)輸入調制信號，通過(guò)降低輸入信號的功率測試芯片的靈敏度。根據芯片廠(chǎng)家規格書(shū)上的設定描述和評判標準來(lái)測試，然后結果和對應的芯片規格書(shū)的靈敏度對比，如果結果很接近，說(shuō)明匹配是好的，如果結果差別比較大，就需要對匹配的結果進(jìn)行微調。

 

如果按照上述步驟來(lái)進(jìn)行匹配，期間不出現明顯的錯誤，最后得到的結果會(huì )和芯片廠(chǎng)家的結果非常接近。

 

 

最后，把天線(xiàn)和后面的所有子模塊都連接起來(lái)，按照不同的客戶(hù)要求來(lái)測量這個(gè)模塊的性能。