射頻天線實現(xiàn)和調(diào)試的最佳實踐

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

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

射頻天線的關(guān)鍵實現(xiàn)方面

實現(xiàn)走線或芯片天線的最關(guān)鍵因素之一是天線與無線電芯片的阻抗匹配。天線在組裝在產(chǎn)品中時必須進(jìn)行阻抗匹配，因為天線不匹配可能會導(dǎo)致以下后果：

減少范圍損失：阻抗不匹配會導(dǎo)致更多的信號反射，從而為天線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的回波損耗：在所需的工作頻率下，天線應(yīng)具有至少-10 dB或更小的回波損耗。阻抗失配會增加所需頻率范圍內(nèi)的回波損耗，從而導(dǎo)致在該頻率范圍內(nèi)傳輸?shù)教炀€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(dǎo)致天線輻射的功率較小。這將要求RF芯片以更大的功率傳輸信號以達(dá)到所需的范圍，從而增加整體功耗

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

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

大多數(shù)PCB走線或芯片天線被構(gòu)造為四分之一波單極子，這需要所有PCB層上的堅實接地層才能正常工作。該接地層被稱為“對位”，并且很重要，因為它充當(dāng)單極天線的假極，使其像完整的偶極子天線一樣運行。

平衡的長度和寬度應(yīng)至少為 λ/4 個單位。下圖使用芯片天線實現(xiàn)示例顯示了各種接地層尺寸的影響。

此外，PCB材料也會影響天線系統(tǒng)阻抗。特別是對于FR4型基材，其還取決于編織圖案，根據(jù)編織的緊密性導(dǎo)致材料的介電常數(shù)發(fā)生變化，并且由于寄生電容的變化可能導(dǎo)致局部阻抗不連續(xù)。對于PCB走線天線的實現(xiàn)，設(shè)計人員必須嚴(yán)格遵循天線設(shè)計指南和天線制造商在走線寬度、層堆疊、平衡尺寸、PCB材料和材料編織圖案方面的建議，以便在實現(xiàn)走線或芯片天線時獲得最佳結(jié)果。天線系統(tǒng)阻抗還受到其周圍的其他電路組件和產(chǎn)品外殼材料的影響，應(yīng)予以考慮。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 （VNA） 調(diào)試天線

阻抗不匹配可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 （VNA） 進(jìn)行調(diào)試。默認(rèn)情況下，VNA 在校準(zhǔn)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(zhǔn)。為了匹配天線和RF芯片之間的阻抗，需要測量回波損耗（RL），也稱為S11參數(shù)。

讓我們了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的校準(zhǔn)方法

大多數(shù) VNA 都帶有 N 型連接器作為其端口。調(diào)試任何天線系統(tǒng)的第一步是使用 N 型到 SMA 電纜和各種（開路、短路和 50Ω）校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，在校準(zhǔn)平面上校準(zhǔn) VNA。VNA必須連接到天線系統(tǒng)，以便匹配網(wǎng)絡(luò)也包含在測量過程中。這可以通過在“MC1”處安裝一個0Ω串聯(lián)電阻并使用稱為“端口擴(kuò)展”的合適電纜來完成。端口擴(kuò)展必須具有已知的長度和已知的速度因子，因為需要將此數(shù)據(jù)饋入VNA，以補償端口擴(kuò)展在測量過程中增加到系統(tǒng)的額外長度和阻抗。此外，應(yīng)選擇端口擴(kuò)展，使其特性阻抗與目標(biāo)系統(tǒng)阻抗相匹配。

校準(zhǔn)VNA的另一種方法是使用匹配的元件焊盤在PCB本身上創(chuàng)建短路/開路/負(fù)載（SOL）條件。這不需要應(yīng)用端口擴(kuò)展。根據(jù)董事會的實施情況，應(yīng)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(fù)數(shù)R+jX Ω形式提供天線系統(tǒng)的阻抗，其中R是由純電阻引起的阻抗的實部，X是由電抗引起的阻抗的復(fù)數(shù)部分。獲得天線系統(tǒng)的復(fù)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?fù)洹Ｈ缃?，這可以使用諸如“ SimSmith”之類的程序輕松完成。

將天線系統(tǒng)的復(fù)阻抗饋入 SimSmith 將導(dǎo)致在史密斯圖上的相應(yīng)點上繪制一個點。如上圖所示，天線系統(tǒng)的復(fù)阻抗可以位于史密斯圖的電感或電容兩半中。通過利用幾個關(guān)鍵點來確定匹配的網(wǎng)絡(luò)組件以使天線系統(tǒng)與目標(biāo)匹配負(fù)載匹配：

串聯(lián)電感沿恒定電阻圈順時針方向移動繪制的復(fù)阻抗點

串聯(lián)電容器沿恒定電阻圈以逆時針方向移動繪制的復(fù)阻抗點

并聯(lián)電感沿恒定圓逆時針方向移動繪制的復(fù)阻抗點

并聯(lián)電容器沿恒定電導(dǎo)圈順時針方向移動繪制的復(fù)阻抗點

串聯(lián)或并聯(lián)配置中可能需要多個組件或多個組件的組合，以匹配目標(biāo)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導(dǎo)致繪制的阻抗點沿恒定電阻/電導(dǎo)圓的軌跡進(jìn)一步移動。這是有利的，因為電感或電容器的極低值實際上無法實現(xiàn)

使用單個匹配網(wǎng)絡(luò)通常會導(dǎo)致系統(tǒng)帶寬下降，可以使用匹配網(wǎng)絡(luò)的多個階段來實現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠ヅ浜妥罴褞?/p>

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

盡管阻抗匹配看起來很復(fù)雜，但它確保了任何無線產(chǎn)品的最佳性能，否則天線可能會成為產(chǎn)品性能的瓶頸。