射频天线实现和调试的最佳实践

作者：Sarth Dave

随着无线设备的普及，如今需要强大的信号强度和高质量的RF天线设计和集成，以实现最佳性能。无论是现成的产品还是高度定制的解决方案，天线集成都不是微不足道的，也不应该是事后的想法。必须将天线输入阻抗匹配到50Ω，以确保从RF电路到天线的最大功率传输，而不会产生任何反射。

射频天线的关键实现方面

实现走线或芯片天线的最关键因素之一是天线与无线电芯片的阻抗匹配。天线在组装在产品中时必须进行阻抗匹配，因为天线不匹配可能会导致以下后果：

减少范围损失：阻抗不匹配会导致更多的信号反射，从而为天线辐射到自由空气中提供更少的功率，从而缩小范围

在特定所需工作频率下减少天线的回波损耗：在所需的工作频率下，天线应具有至少-10 dB或更小的回波损耗。阻抗失配会增加所需频率范围内的回波损耗，从而导致在该频率范围内传输到天线的RF功率减少

更高的耗电量：由于阻抗不匹配引起的信号反射导致天线辐射的功率较小。这将要求RF芯片以更大的功率传输信号以达到所需的范围，从而增加整体功耗

由于信号反射导致射频芯片发热：由于阻抗不匹配引起的信号反射导致射频能量回流到发射器中，从而导致发射器发热，从而延长发射器的使用寿命

不可靠的数据吞吐量：由于阻抗不匹配，信号反射引起的较高数据包误码率（PER）和RF收发器的数据吞吐量可能不是该产品的最佳选择

大多数PCB走线或芯片天线被构造为四分之一波单极子，这需要所有PCB层上的坚实接地层才能正常工作。该接地层被称为“对位”，并且很重要，因为它充当单极天线的假极，使其像完整的偶极子天线一样运行。

平衡的长度和宽度应至少为 λ/4 个单位。下图使用芯片天线实现示例显示了各种接地层尺寸的影响。

此外，PCB材料也会影响天线系统阻抗。特别是对于FR4型基材，其还取决于编织图案，根据编织的紧密性导致材料的介电常数发生变化，并且由于寄生电容的变化可能导致局部阻抗不连续。对于PCB走线天线的实现，设计人员必须严格遵循天线设计指南和天线制造商在走线宽度、层堆叠、平衡尺寸、PCB材料和材料编织图案方面的建议，以便在实现走线或芯片天线时获得最佳结果。天线系统阻抗还受到其周围的其他电路组件和产品外壳材料的影响，应予以考虑。

使用矢量网络分析仪 （VNA） 调试天线

阻抗不匹配可以使用矢量网络分析仪 （VNA） 进行调试。默认情况下，VNA 在校准平面上进行测量，并且需要在进行测量之前进行校准。为了匹配天线和RF芯片之间的阻抗，需要测量回波损耗（RL），也称为S11参数。

让我们了解矢量网络分析仪（VNA）的校准方法

大多数 VNA 都带有 N 型连接器作为其端口。调试任何天线系统的第一步是使用 N 型到 SMA 电缆和各种（开路、短路和 50Ω）校准标准，在校准平面上校准 VNA。VNA必须连接到天线系统，以便匹配网络也包含在测量过程中。这可以通过在“MC1”处安装一个0Ω串联电阻并使用称为“端口扩展”的合适电缆来完成。端口扩展必须具有已知的长度和已知的速度因子，因为需要将此数据馈入VNA，以补偿端口扩展在测量过程中增加到系统的额外长度和阻抗。此外，应选择端口扩展，使其特性阻抗与目标系统阻抗相匹配。

校准VNA的另一种方法是使用匹配的元件焊盘在PCB本身上创建短路/开路/负载（SOL）条件。这不需要应用端口扩展。根据董事会的实施情况，应从两者中选择合适的方法。

使用史密斯图进行阻抗匹配

VNA以复数R+jX Ω形式提供天线系统的阻抗，其中R是由纯电阻引起的阻抗的实部，X是由电抗引起的阻抗的复数部分。获得天线系统的复阻抗后，可以将其绘制在“史密斯图”上，以确定所需匹配组件的值和拓扑。如今，这可以使用诸如“ SimSmith”之类的程序轻松完成。

将天线系统的复阻抗馈入 SimSmith 将导致在史密斯图上的相应点上绘制一个点。如上图所示，天线系统的复阻抗可以位于史密斯图的电感或电容两半中。通过利用几个关键点来确定匹配的网络组件以使天线系统与目标匹配负载匹配：

串联电感沿恒定电阻圈顺时针方向移动绘制的复阻抗点
串联电容器沿恒定电阻圈以逆时针方向移动绘制的复阻抗点
并联电感沿恒定圆逆时针方向移动绘制的复阻抗点
并联电容器沿恒定电导圈顺时针方向移动绘制的复阻抗点
串联或并联配置中可能需要多个组件或多个组件的组合，以匹配目标阻抗

最好使用串联电感器和并联电容器，因为增加两者的元件值会导致绘制的阻抗点沿恒定电阻/电导圆的轨迹进一步移动。这是有利的，因为电感或电容器的极低值实际上无法实现

使用单个匹配网络通常会导致系统带宽下降，可以使用匹配网络的多个阶段来实现适当的匹配和最佳带宽

例如，下图显示了使用串联电感和并联电容器将复阻抗为25+j8.5Ω的天线系统与目标阻抗为50Ω的匹配。

尽管阻抗匹配看起来很复杂，但它确保了任何无线产品的最佳性能，否则天线可能会成为产品性能的瓶颈。