WiFi接口開發(fā)的高級(jí)技巧

將 WiFi 接口集成到所有應(yīng)用中

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言，通過 WiFi 來連接設(shè)備非常普遍。但是高性能 WiFi 連接需要針對(duì) RF 的電路設(shè)計(jì)，其中必須仔細(xì)考慮元件、PCB 設(shè)計(jì)和布局以及天線匹配等因素。

由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起和控制的去中心化，需要在傳感器等外圍設(shè)備中集成無線連接，從而與中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這對(duì)于許多開發(fā)人員而言是一個(gè)挑戰(zhàn)。無線連接的優(yōu)點(diǎn)很明顯：無需電隔離或布設(shè)固定線纜。需要高質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)才能確保即使在干擾嚴(yán)重的環(huán)境中也能進(jìn)行安全穩(wěn)定的通信。高質(zhì)量的 WiFi 連接需要針對(duì) RF 進(jìn)行設(shè)計(jì)才能同時(shí)滿足 EMC 和信號(hào)完整性要求。

避免天線反射

WiFi 控制器以數(shù)字方式運(yùn)行，它不僅會(huì)在 Tx 輸出端口產(chǎn)生需要的信號(hào)，還會(huì)產(chǎn)生諧波干擾信號(hào)。同時(shí)還有由傳輸路徑不匹配引起的干擾。理想情況下，從驅(qū)動(dòng)輸出到天線的路徑阻抗應(yīng)為 50 Ω。為了降低諧波干擾和改善匹配，人們常常會(huì)對(duì) WiFi 接口的發(fā)送和接收路徑采取一些措施，例如使用濾波器和匹配網(wǎng)絡(luò)等。

選擇適合射頻的濾波器元件

在電路中，電容、電感和電阻等元件的組合會(huì)產(chǎn)生不同的阻抗。在高于 500 MHz 的頻率范圍內(nèi)使用濾波器元件時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注最重要的元件特性。

500 MHz 以上的射頻電容

只有某些類型的電容適用于高頻應(yīng)用，例如 WCAP-CSRF 系列（料號(hào) 885392005010）。其規(guī)格書中的電氣參數(shù)在如圖 1 所示，包括諧振頻率、ESR、直流偏置漂移和溫度漂移。這些參數(shù)也可以在在線仿真平臺(tái)“REDEXPERT”（redexpert.we-online.com）上進(jìn)行仿真。  

圖1：3-pF HF 電容 WCAP-CSRF 885392005010 的電氣特性。

500 MHz 以上的射頻電感

天線匹配通常會(huì)使用不帶鐵氧體磁芯的電感，而EMI 濾波器通常會(huì)使用帶鐵氧體磁芯的電感。在電感使用了鐵氧體磁芯的情況下，必須根據(jù)阻抗曲線仔細(xì)選擇鐵氧體材料。

對(duì)于低損耗天線匹配網(wǎng)絡(luò)的濾波器或類似的射頻應(yīng)用，WE-KI 系列電感非常適合。為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)和高諧振頻率，這些元件使用陶瓷材料（表 1）。 

表1：SMD 電感 744761110A 的特性（數(shù)據(jù)來自規(guī)格書）

創(chuàng)建 WiFi 接口

圖 2 展示了一個(gè)帶有 WiFi 接口的 IoT 電路例子。有限功率的輻射源（如收發(fā)器）可以實(shí)現(xiàn)的無線電覆蓋范圍在很大程度上取決于天線設(shè)計(jì)、封裝和 PCB 布局。在實(shí)踐中，大多數(shù)產(chǎn)品都配備了一個(gè)收發(fā)器芯片，它結(jié)合了發(fā)送和接收功能。當(dāng)然，這意味著天線匹配、饋線和天線本身都同時(shí)用于發(fā)射和接收操作。接收通道通常具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度 > 95 dB ，天線有 3 - 4 dB 的靈敏度降低。增益調(diào)整可以補(bǔ)償由于失配造成的損失。發(fā)射操作至關(guān)重要，如果天線的靈敏度降低 3 dB 或發(fā)射輸出級(jí)和天線之間的路徑上損耗增加 3 dB，就需要發(fā)射器輸出兩倍的功率。即使 Tx 芯片能夠輸出兩倍的發(fā)射功率，也會(huì)不可避免地導(dǎo)致高電流消耗以及發(fā)射的信號(hào)中包含更高比例的諧波干擾，甚至可能會(huì)導(dǎo)致 EMC 問題。值得注意的是，收發(fā)芯片或通信模塊的制造商通常會(huì)在規(guī)范中指定最合適的天線。這是為了確保符合 RED 指令 2014/53/EU 的適用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮到可行性。 

圖2：物聯(lián)網(wǎng)電路板上的 WiFi 接口電路

陶瓷芯片天線

陶瓷芯片天線具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它的尺寸很小，不易受到附近元件的電磁干擾；無需仿真即可輕松更改電路板設(shè)計(jì)或布局；可以簡單地修改天線甚至更換為不同的天線。GPS 和 2.4 GHz 等移動(dòng)和高頻應(yīng)用經(jīng)常使用陶瓷天線。圖 3 展示的是適用于 WiFi 連接的 WE-MCA 多層片式天線。

圖3：各種設(shè)計(jì)的 WE-MCA 多層片式天線

最大化傳輸功率

當(dāng)源阻抗等于負(fù)載阻抗時(shí)，傳輸功率最大。這意味著發(fā)射器輸出的源阻抗為 Z_T，它向阻抗為Z_L的電路路徑傳輸功率，Z_L 應(yīng)與 Z_T 相等。功率傳輸?shù)阶杩篂?Z_A 的天線，理想情況下天線的阻抗應(yīng)該與饋線和源的阻抗相同。當(dāng)所有阻抗都具有相等的值時(shí)，就會(huì)達(dá)到最大傳輸功率。如果匹配不佳，收發(fā)器發(fā)送的幅度為 V_IN 的信號(hào)進(jìn)入電路路徑，只有一部分信號(hào)會(huì)到達(dá)天線，剩余的信號(hào)會(huì)在源和饋線之間或饋線和天線之間的不連續(xù)處反射。

通過加入匹配網(wǎng)絡(luò)（通常是 π-、T-、LL- 或 LC-網(wǎng)絡(luò)）可以大幅減少這種失配。匹配網(wǎng)絡(luò)的電容值和電感值通常在 pF 和 nH 范圍內(nèi)。從 0.5 pF 到 20 pF， 和 0.5 nH 到 20 nH 范圍的樣品組合非常有用。因此WiFi 接口的布局中必須包含天線匹配網(wǎng)絡(luò)放置的位置。

在圖 4 所示的示例中，天線位于電路板的角落。天線不會(huì)被其他的元件所包圍，從而獲得良好的天線性能。 

圖4：WiFi 接口板天線區(qū)域的部分布局

在這一案例研究中，對(duì) WE-MCA 多層片式天線（料號(hào) 7488910245）進(jìn)行了匹配以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

關(guān)于作者

Zenkner 博士是伍爾特電子的獨(dú)立顧問，作為 EMC 專家專門從事技術(shù)營銷和應(yīng)用工程工作。