【導(dǎo)讀】在汽車領(lǐng)域基本上都實現(xiàn)了遙控鑰匙進(jìn)入、無鑰匙進(jìn)入,啟動的方式。而這些設(shè)計中都會用到UHF模塊的設(shè)計,而UHF模塊的設(shè)計對整個系統(tǒng)性能來說起著非常重要的作用。本文就為大家詳細(xì)講講汽車門禁UHF模塊設(shè)計及阻抗匹配。
目前在汽車領(lǐng)域基本上都實現(xiàn)了遙控鑰匙進(jìn)入、無鑰匙進(jìn)入,啟動的方式。無論是RKE (Remote Keyless Entry) 還是PKE (Passive Keyless Entry) 系統(tǒng),都會用到UHF接收模塊。而UHF模塊的設(shè)計對整個系統(tǒng)性能來說起著非常重要的作用。
UHF 接收模塊一般由一下幾部分組成:天線,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.
對于整個接收模塊來說,在PCB設(shè)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)行各個子模塊之間的阻抗匹配,使得信號在各個模塊之間傳輸時損失最小。這篇文章主要來談一下UHF接收模塊的阻抗匹配的方法。
總體上來說,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,就是說把系統(tǒng)前級模塊的輸出阻抗和下級模塊的輸入阻抗,只通過一個匹配網(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,所以這個匹配又可以叫做功率匹配或者共軛匹配。例如,假設(shè)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50ohm這個“中間人”匹配到了一起,這就是所謂的間接匹配。
對于系統(tǒng)來說,決定是選擇直接匹配還是間接匹配有很多因素要可慮。一般來說,直接匹配優(yōu)點主要是所需匹配元器件少,損耗自然也會小一點,占用PCB空間小,易于PCB設(shè)計;缺點是有時前級的輸出阻抗比較難測量,只能通過查詢相關(guān)的規(guī)格書來得到,結(jié)果有可能會誤差比較大;由于模塊間是任意阻抗的匹配,而一般RF測試設(shè)備都是50ohm輸入/輸出阻抗,想測試每個模塊節(jié)點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)點同樣突出,由于模塊間都是匹配到50ohm,每個模塊節(jié)點的性能測試起來都比較方便。
本文將以下面的 (Fig 4) 模塊構(gòu)架為例來介紹如何進(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。
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2 阻抗匹配的步驟
在實驗室進(jìn)行阻抗匹配一般需要用到的設(shè)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(rèn)),SmithChart仿真軟件,有時還會用到數(shù)字型號發(fā)生器。在汽車門禁系統(tǒng),一般用到的頻段是315MHz, 434MHz, 868MHz, 915MHz,我們以434MHz頻段為例來說明整個流程。
本文以下面的 (Fig 4) 模塊構(gòu)架為例來分部介紹如何進(jìn)行阻抗匹配。
阻抗匹配的流程一般為:天線模塊的匹配,射頻接收器和SAWF 輸出匹配,SAWF輸入端的匹配。
2.1 天線匹配
由于使用天線總類不同,天線的阻抗也會有很大不同,要么表現(xiàn)為感性阻抗,容性阻抗或者純電阻。假設(shè)測出來的天線阻抗是Zant=20+j200,來看一下如何進(jìn)行匹配。
從Zant到50ohm阻抗轉(zhuǎn)換有很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以最少元器件原則一般L型網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)。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SmithChart 仿真器仿真 (Fig 5)可以看到,天線通過串聯(lián)2.1pF和并聯(lián)一個9pF的電容,在Fig 4的A點可以得到ZA=50ohm的阻抗。這種匹配是最經(jīng)濟(jì)的一種方法,只要兩個電容就可以實現(xiàn)。
然而如果既要完成阻抗匹配,又要實現(xiàn)低通濾波效果,則可以采用Fig 6的形式來實現(xiàn),
以此類推也可以得到具有高通濾波的匹配網(wǎng)絡(luò)。
天線的匹配通過這種方法就可以完成了。在A點向天線看過去,經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗轉(zhuǎn)換就得到了50ohm的阻抗。
通過上述匹配后,天線的性能可以直接在專門的電波暗室里測試。天線的增益,方向性,場分布等性能都是比較重要的參數(shù),對整個系統(tǒng)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內(nèi)工作,天線的性能受外殼和車內(nèi)環(huán)境影響比較大。在進(jìn)行天線阻抗匹配的時候一定要注意實際工作的環(huán)境,最好是把模塊裝進(jìn)外殼,放在車內(nèi)固定位置進(jìn)行阻抗匹配。如果這樣做實在困難,也可以使用汽車臺架來操作。
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2.2 射頻接收器和SAWF的匹配
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(tǒng)中,一般只要確認(rèn)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(dāng)然,如果確實需要單獨測試射頻接收器的靈敏度,可以在這里再加一個匹配網(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布置元器件。
下面來討論一下基于Fig 7的阻抗匹配方法。
步驟 1:確認(rèn)射頻接收器的輸入阻抗。
在射頻接收器的數(shù)據(jù)手冊里都會標(biāo)明射頻輸入端的輸入阻抗值或者等效的R//C值是多少。有些讀者會直接用這個值來作為芯片的射頻輸入的值來進(jìn)行匹配。這里需要說明的是,這個值一般是芯片設(shè)計的理想值,具體到不同的PCB板的話普遍有比較大的差異。
正確的做法是,給接收器通電,通過上位機(jī)或者芯片內(nèi)部程序使芯片處于接收狀態(tài),如果內(nèi)部有低噪聲放大器的話,要使它處于最大增益狀態(tài),同時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出功率,使得芯片內(nèi)部放大電路工作在線性放大狀態(tài),防止其飽和,從而影響結(jié)果。一般功率設(shè)定在-60dBm以下就可以滿足要求,具體參考芯片的數(shù)據(jù)手冊。
這里我們假設(shè)測得D點的輸入阻抗為Zrx_in=200
步驟 2:查看SAWF的數(shù)據(jù)手冊,找出輸出阻抗值。
由于SAWF的輸出阻抗很難在實驗室測量,我們暫時假設(shè)它的值為數(shù)據(jù)手冊所示。比如
Zout=60-j150.
步驟3:對芯片輸入和SAWF輸出進(jìn)行共軛匹配。
窄帶SAWF一般是設(shè)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(shè)為基礎(chǔ)仿真出所需要的匹配網(wǎng)絡(luò),在后面步驟,我們會來驗證這個假設(shè)。
由Fig 8看出,射頻接收器輸入端阻抗,通過并聯(lián)2.7pF電容和串聯(lián)89nH電感,在C點得到阻抗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。接下來的步驟會反過來驗證這一步的結(jié)果。
步驟4:SAWF 輸入端匹配
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(shè)置和步驟1相同。
在A點用網(wǎng)分測量輸入阻抗,調(diào)整輸入匹配網(wǎng)絡(luò),使得測得的A點的阻抗為50ohm。具體方法在“參考1”中有詳細(xì)描述。
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假設(shè)在A點測得的阻抗類似Fig 9中所示??梢钥吹酱藭r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(rèn)一下匹配性能,如圖Fig 10, Fig 11。可以看到VSWR=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附近有一個卷曲的環(huán),這是由于SAWF的原因產(chǎn)生的。可以看到這里的環(huán)非常小,而且距離50ohm也非常近,說明步驟3和4的匹配是成功的。
如果結(jié)果顯示卷曲的環(huán)比較大的話,說明在步驟3中的匹配產(chǎn)生了偏差,需要調(diào)整一下匹配網(wǎng)絡(luò)元器件的值,直至達(dá)到想要的結(jié)果。
步驟5:測試驗證從SAWF到芯片的性能
至此,整個匹配工作基本上完成,下面還需要對匹配的結(jié)果進(jìn)行測試驗證。
一般是用射頻信號發(fā)生器從A點輸入調(diào)制信號,通過降低輸入信號的功率測試芯片的靈敏度。根據(jù)芯片廠家規(guī)格書上的設(shè)定描述和評判標(biāo)準(zhǔn)來測試,然后結(jié)果和對應(yīng)的芯片規(guī)格書的靈敏度對比,如果結(jié)果很接近,說明匹配是好的,如果結(jié)果差別比較大,就需要對匹配的結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。
如果按照上述步驟來進(jìn)行匹配,期間不出現(xiàn)明顯的錯誤,最后得到的結(jié)果會和芯片廠家的結(jié)果非常接近。
步驟6:驗證整個模塊的性能
最后,把天線和后面的所有子模塊都連接起來,按照不同的客戶要求來測量這個模塊的性能。