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作者: Bob Liu 1 介紹 目前在汽車(chē)領(lǐng)域基本上都實(shí)現(xiàn)了遙控鑰匙進(jìn)入、無(wú)鑰匙進(jìn)入，啟動(dòng)的方式。無(wú)論是RKE (Remote Keyless Entry) 還是PKE (Passive Keyless Entry) 系統(tǒng)，都會(huì)用到UHF接收模塊。而UHF模塊的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能來(lái)說(shuō)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(duì)于整個(gè)接收模塊來(lái)說(shuō)，在PCB設(shè)計(jì)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(gè)子模塊之間的阻抗匹配，使得信號(hào)在各個(gè)模塊之間傳輸時(shí)損失最小。這篇文章主要來(lái)談一下UHF接收模塊的阻抗匹配的方法。 總體上來(lái)說(shuō)，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(shuō)把系統(tǒng)前級(jí)模塊的輸出阻抗和下級(jí)模塊的輸入阻抗，只通過(guò)一個(gè)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(gè)匹配又可以叫做功率匹配或者共軛匹配。例如，假設(shè)前級(jí)模塊的輸出阻抗是Zo=x+jy ohm, 后級(jí)模塊的輸入阻抗是Zin=a+jb ohm，通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)后，從前級(jí)模塊輸出往后級(jí)看去阻抗為Zo’=Zo*，即Zo’=x-jy. 這樣前后級(jí)就可以說(shuō)共軛匹配就完成了。
間接匹配，如Fig 3所示。把前級(jí)輸出阻抗和后級(jí)輸入阻抗，分別匹配到50ohm。這樣前后級(jí)就通過(guò)50ohm這個(gè)“中間人”匹配到了一起，這就是所謂的間接匹配。
對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，直接匹配優(yōu)點(diǎn)主要是所需匹配元器件少，損耗自然也會(huì)小一點(diǎn)，占用PCB空間小，易于PCB設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)是有時(shí)前級(jí)的輸出阻抗比較難測(cè)量，只能通過(guò)查詢相關(guān)的規(guī)格書(shū)來(lái)得到，結(jié)果有可能會(huì)誤差比較大；由于模塊間是任意阻抗的匹配，而一般RF測(cè)試設(shè)備都是50ohm輸入/輸出阻抗，想測(cè)試每個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)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(diǎn)同樣突出，由于模塊間都是匹配到50ohm，每個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)的性能測(cè)試起來(lái)都比較方便。 本文將以下面的 (Fig 4) 模塊構(gòu)架為例來(lái)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。 2 阻抗匹配的步驟 在實(shí)驗(yàn)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(cè)試和匹配），RF 信號(hào)發(fā)生器（用于匹配后性能的測(cè)試和確認(rèn)），SmithChart仿真軟件，有時(shí)還會(huì)用到數(shù)字型號(hào)發(fā)生器。在汽車(chē)門(mén)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(lái)說(shuō)明整個(gè)流程。 本文以下面的 (Fig 4) 模塊構(gòu)架為例來(lái)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(huì)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(cè)出來(lái)的天線阻抗是Zant=20+j200，來(lái)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(shí)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(guò)SmithChart 仿真器仿真 (Fig 5)可以看到，天線通過(guò)串聯(lián)2.1pF和并聯(lián)一個(gè)9pF的電容，在Fig 4的A點(diǎn)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(gè)電容就可以實(shí)現(xiàn)。
然而如果既要完成阻抗匹配，又要實(shí)現(xiàn)低通濾波效果，則可以采用Fig 6的形式來(lái)實(shí)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(guò)這種方法就可以完成了。在A點(diǎn)向天線看過(guò)去，經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗轉(zhuǎn)換就得到了50ohm的阻抗。 通過(guò)上述匹配后，天線的性能可以直接在專門(mén)的電波暗室里測(cè)試。天線的增益，方向性，場(chǎng)分布等性能都是比較重要的參數(shù)，對(duì)整個(gè)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(chē)內(nèi)工作，天線的性能受外殼和車(chē)內(nèi)環(huán)境影響比較大。在進(jìn)行天線阻抗匹配的時(shí)候一定要注意實(shí)際工作的環(huán)境，最好是把模塊裝進(jìn)外殼，放在車(chē)內(nèi)固定位置進(jìn)行阻抗匹配。如果這樣做實(shí)在困難，也可以使用汽車(chē)臺(tái)架來(lái)操作。 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(gè)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?yàn)镾AWF的插入損耗一般是已知的。當(dāng)然，如果確實(shí)需要單獨(dú)測(cè)試射頻接收器的靈敏度，可以在這里再加一個(gè)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(lái)布置元器件。
下面來(lái)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(cè)里都會(huì)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(huì)直接用這個(gè)值來(lái)作為芯片的射頻輸入的值來(lái)進(jìn)行匹配。這里需要說(shuō)明的是，這個(gè)值一般是芯片設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)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(cè)。 這里我們假設(shè)測(cè)得D點(diǎn)的輸入阻抗為Zrx_in=200 步驟 2：查看SAWF的數(shù)據(jù)手冊(cè)，找出輸出阻抗值。 由于SAWF的輸出阻抗很難在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，我們暫時(shí)假設(shè)它的值為數(shù)據(jù)手冊(cè)所示。比如 Zout=60-j150. 步驟3：對(duì)芯片輸入和SAWF輸出進(jìn)行共軛匹配。 窄帶SAWF一般是設(shè)計(jì)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(shí)不需要網(wǎng)絡(luò)分析儀。因?yàn)镾AWF的輸出阻抗難以測(cè)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(huì)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)。
由Fig 8看出，射頻接收器輸入端阻抗，通過(guò)并聯(lián)2.7pF電容和串聯(lián)89nH電感，在C點(diǎn)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(lái)的步驟會(huì)反過(guò)來(lái)驗(yàn)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(diǎn)用網(wǎng)分測(cè)量輸入阻抗，調(diào)整輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，使得測(cè)得的A點(diǎn)的阻抗為50ohm。具體方法在“參考1”中有詳細(xì)描述。 假設(shè)在A點(diǎn)測(cè)得的阻抗類似Fig 9中所示�？梢钥吹酱藭r(shí)阻抗是ZA=43-j9 ohm。我們把網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)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(gè)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(shuō)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(shuō)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(cè)試驗(yàn)證從SAWF到芯片的性能 至此，整個(gè)匹配工作基本上完成，下面還需要對(duì)匹配的結(jié)果進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。 一般是用射頻信號(hào)發(fā)生器從A點(diǎn)輸入調(diào)制信號(hào)，通過(guò)降低輸入信號(hào)的功率測(cè)試芯片的靈敏度。根據(jù)芯片廠家規(guī)格書(shū)上的設(shè)定描述和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試，然后結(jié)果和對(duì)應(yīng)的芯片規(guī)格書(shū)的靈敏度對(duì)比，如果結(jié)果很接近，說(shuō)明匹配是好的，如果結(jié)果差別比較大，就需要對(duì)匹配的結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。 如果按照上述步驟來(lái)進(jìn)行匹配，期間不出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤，最后得到的結(jié)果會(huì)和芯片廠家的結(jié)果非常接近。 步驟6：驗(yàn)證整個(gè)模塊的性能 最后，把天線和后面的所有子模塊都連接起來(lái)，按照不同的客戶要求來(lái)測(cè)量這個(gè)模塊的性能。 參考： 1. AN18: Matching of EPCOS front-end SAW filters to integrated RKE receivers, EPCOS 2. Smith Chart Simulator: http://fritz.dellsperger.net/smith.html, Professor Fritz Dellsperger |
