天线的调试-0307

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天线调试

天线调试过程确保在所需频带中，天线的回波损耗(从芯片输出的方向来看)大于 10dB。同样，对于芯片(Balun)，要执行相同的程序，用以确保在接受模式下，Balun 的阻抗为 50Ω。这时天线调试和 Balun 调试均被称为天线调试。

 

图 28. 调试和匹配网络的参考图

 

0Ω参考点被连接至具有一个端口网络的网络分析仪。进行天线调试期间，通过移除 Balun 匹配组件可以断开同芯片的连接。进行 Balun 调试期间，会断开同天线匹配组件的连接。

 

以下章节将详细说明如何使用网络分析仪来调试天线。虽然这里仅显示了一个 Pioneer 套件无线鼠标的调试程序，不过该程序适用于所有天线调试。

 

调试过程

如前面所述，外壳和接地层的影响使天线所需的频带失调，并且影响了回波损耗。因此，天线调试过程包括两个步骤：首先，将 PCB 空板调试为所需频带;然后在确定 ID 后，通过塑料外壳和人体接触检查调试。

 

使用网络分析仪来检查天线调试。在第一个步骤中，先校准该网络分析仪，然后通过调整匹配网络组件和验证 Smith 图表中的调试进行天线调试。

 

调试过程中会使用：

 

§ 安捷伦(Agilent)8714ES 网络分析仪(已校准)

 

§ Pioneer 套件鼠标(如 DUT)

 

§ 电气延迟时间为 350ps 的半刚性电缆

 

§ 质量的射频组件目录(Johanson 套件 P/N:L402DC)

 

调试过程主要步骤为：

 

1. 准备 ID

 

2. 设置并校准网络分析仪

 

3.PCB 空板调试。如同图中所示，标志 1、2 和 3 的回波损耗大于 15db。

 

4. 使用塑料和人体接触来调整调试

 

 

准备 ID

该步骤非常重要，因为同轴线缆的放置情况会使 s11 的变化值为 3dB。尽量使同轴线缆屏蔽的接地连接靠近传输线返回路径。请执行以下操作：

 

1. 打开塑料外壳，去掉电池或断开供电电源。

 

2. 使同轴线缆接近芯片的射频输出引脚。断开芯片连接。否则，不仅仅是天线，就连 Balun 也会连接到同轴线缆。请参见图 29。

 

3. 请确保，有一个裸露接地层靠近同轴线缆头。将线缆的屏蔽或外壳接地。将该屏蔽 / 外壳接地时，尽量缩短它与地面间的距离。该距离越小，调试准确度就越高。根据同轴线缆接地的位置，回波损耗测量的差值可为 3dB。

 

4. 将一个 10pF 的电容从 50Ω参考点的第一个焊盘连接至天线末梢。要在同轴线缆和天线之间始终连接一个电容。这样能够阻止网络分析仪的直流电。

 

 

图 29. 同轴线缆的连接点

 

设置并校准网络分析仪

1. 使用 3.5mm 校准套件进行校准。接下来，将网络分析仪的校准套件设置为 3.5mm 后，按下 Agilent8714ES 上的 cal(校准)按键。您也可以使用其他校准套件，如 N 型校准套件。

 

2. 按下频率按键，分别将启动频率和停止频率设置为 2GHz 和 3GHz，将格式设为 Smith 图表。

 

3. 按下 marker(标记)按键，将各标记的频率分别设为 2.402GHz、2.44GHz 和 2.48GHz。

 

4. 按下 cal(校准)按键，选择网络分析仪上的 S11 并将其设为用户 1 端口校准。

 

5. 要求连接“open”加载时，请连接“open”加载，并按下 measurestandard。

 

6. 连接“Short”加载，并按下 measurestandard。

 

7. 连接至“broadband”加载，并按下 measurestandard。然后网络分析仪会计算系数，并将 50Ω加载显示为 Smith 图表上明确标记为 50,0 的参考点。

 

8. 通过按下‘scale’按键并正确设置电气延迟，可调试同轴线缆和设置电气延迟。

 

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调试 PCB 空调

想要调试 PCB 空板，先要确定天线的阻抗，然后根据匹配网络组件，在所需频带内使回波损耗低于 10db。

 

1. 将一个 8.2pF 大小的电容与天线串联起来。在所需频带内，该电容的阻抗为 0Ω。该阻抗便是天线阻抗。天线的阻抗等于(100.36–j34.82)，如 Smith 图表中红色圆圈所示。

 

图 30. 仅针对天线的 Smith 图表 

 

2. 确定天线的阻抗后，通过执行阻抗转换使用拓扑使天线阻抗变为 50Ω。赛普拉斯 MIFA 或 IFA 的大部分匹配网络(图 31 所示)是由两个组件构成的。

 

图 31. 匹配网络

 

 

可以使用标准的开源工具(如 Bern 研究院的 SmithV3.10)对匹配网络组件进行仿真。通过将 0.45pF 的并联电容和 3.6nH 的串联电感连接到天线，可以将天线阻抗转换为 50Ω,，从而能够在所需的频带中去除虚拟部分。由于准确值不可用，因此我们要选择一个 0.5pF 的并联电容和一个 3.6nH 的串联电感。

 

图 32. 在 Smith 图表中转换为 50Ω

 

以下显示的是匹配网络的最终原理图。ZL 表示阻抗为 0 欧姆时天线的阻抗。Zin 指的是输出阻抗为 50 欧姆时网络分析仪观察到的阻抗。

 

图 33. 理论匹配网络

 

仿真软件有助于了解组件值。但实际组件值与仿真值的差别很大。出现这种情况是因为频率为 2.4GHz 时，电容的走线间电感、焊盘的寄生加载以及接地返回路径构建了一个附加的寄生回路，从而完全改变了 Smith 图表。对于该应用，需要选择一个 0.7pF 的电容和一个 1.2pF 的串联电容，以得到谐振。

 

图 34. 实际的匹配网络

 

下面是该操作的简要说明。天线阻抗来自假定阻抗为 0 欧姆的 8.2pF 电容器。此外，该图也显示了频率为 2.4Ghz 时走线间电感的寄生电容。接地返回路径紧挨着该天线。但由于使用了匹配组件，接地返回路径将有额外的寄生电容。

 

这样天线的电感会很大，所以要添加几个电容器以调整该电感。这是调整天线时遇到的典型问题。理论与实践间存在着明显的差别。用户可添加一个电容器，但请注意，如果添加某个电感，Smith 图会向一定的方向移动。图 35 显示的是使用实际组件的最终 Smith 图表。

 

图 35. 使用实际组件的 Smith 图表

 

图中也显示了频率分别为 2402MHz、2440MHz 和 2480MHz 的标志 1、2 和 3 接近 Smith 图表上的(50,0)点。显示的是一个良好的匹配。

 

下面制图显示了组件值的回拨损耗。大于 15db 的回波损耗符合我们的应用。

 

图 36. 使用实际组件时的回波损耗

 

如同图中所示，标志 1、2 和 3 的回波损耗大于 15db。

 

 

使用塑料和人体接触来调整调试

PCB 的塑料外壳更改了天线调整。所有天线均受到近场或远场物体的影响。如果是一个窄带天线，它受近场物体的影响几率非常大。

 

塑料外壳和附近移动的电池线缆可使天线完全失调，并且在 2.402G 到 2.482G 的优选频带内它的回波损耗会低于 10db。因此，调试 PCB 空板后，需要使 PCB 保持在塑料外壳内，并使用鼠标重新检测调试。这样操作很复杂，尤其是还要将同轴电缆引出塑料装配外。

 

通过在 ID 内钻出一小孔，可以将该同轴电缆引出去。最后使用塑料外壳或将一只手放在塑料外壳上面(如同用户使用鼠标时)进行检查调试效果。所观察到的回波损耗的影响最小。

 

图 37 使用塑料装置时的 SmithChart, 连接到 ID 的图表

 

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总结

本应用笔记简单介绍了如何使用 PRoCBLE/PSoCBLE 轻松设计自定义产品的最佳天线。同时也提供了针对不同天线类型所需要的天线布局指南。