天線設計(3)

想要調試PCB空板,先要確定天線的阻抗,然後根據匹配網絡組件,在所需頻帶內使回波損耗低於10db。

1.將一個8.2pF大小的電容與天線串聯起來。在所需頻帶內,該電容的阻抗爲0Ω。該阻抗便是天線阻抗。天線的阻抗等於(100.36–j34.82),如Smith圖表中紅色圓圈所示。


圖30.僅針對天線的Smith圖表


2.確定天線的阻抗後,通過執行阻抗轉換使用拓撲使天線阻抗變爲50Ω。賽普拉斯MIFA或IFA的大部分匹配網絡(圖31所示)是由兩個組件構成的


圖31.匹配網絡


可以使用標準的開源工具(如Bern研究院的SmithV3.10)對匹配網絡組件進行仿真。通過將0.45pF的並聯電容和3.6nH的串聯電感連接到天線,可以將天線阻抗轉換爲50Ω,,從而能夠在所需的頻帶中去除虛擬部分。由於準確值不可用,因此我們要選擇一個0.5pF的並聯電容和一個3.6nH的串聯電感。


圖32.在Smith圖表中轉換爲50Ω


以下顯示的是匹配網絡的最終原理圖。ZL表示阻抗爲0歐姆時天線的阻抗。Zin指的是輸出阻抗爲50歐姆時網絡分析儀觀察到的阻抗。


圖33.理論匹配網絡


仿真軟件有助於瞭解組件值。但實際組件值與仿真值的差別很大。出現這種情況是因爲頻率爲2.4GHz時,電容的走線間電感、焊盤的寄生加載以及接地返回路徑構建了一個附加的寄生迴路,從而完全改變了Smith圖表。對於該應用,需要選擇一個0.7pF的電容和一個1.2pF的串聯電容,以得到諧振。


圖34.實際的匹配網絡


下面是該操作的簡要說明。天線阻抗來自假定阻抗爲0歐姆的8.2pF電容器。此外,該圖也顯示了頻率爲2.4Ghz時走線間電感的寄生電容。接地返回路徑緊挨着該天線。但由於使用了匹配組件,接地返回路徑將有額外的寄生電容。這樣天線的電感會很大,所以要添加幾個電容器以調整該電感。這是調整天線時遇到的典型問題。理論與實踐間存在着明顯的差別。用戶可添加一個電容器,但請注意,如果添加某個電感,Smith圖會向一定的方向移動。圖35顯示的是使用實際組件的最終Smith圖表。


圖35.使用實際組件的Smith圖表


圖中也顯示了頻率分別爲2402MHz、2440MHz和2480MHz的標誌1、2和3接近Smith圖表上的(50,0)點。顯示的是一個良好的匹配。


下面製圖顯示了組件值的回撥損耗。大於15db的回波損耗符合我們的應用。


圖36.使用實際組件時的回波損耗


如同圖中所示,標誌1、2和3的回波損耗大於15db。

使用塑料和人體接觸來調整調試。

PCB的塑料外殼更改了天線調整。所有天線均受到近場或遠場物體的影響。如果是一個窄帶天線,它受近場物體的影響機率非常大。

塑料外殼和附近移動的電池線纜可使天線完全失調,並且在2.402G到2.482G的優選頻帶內它的回波損耗會低於10db。因此,調試PCB空板後,需要使PCB保持在塑料外殼內,並使用鼠標重新檢測調試。這樣操作很複雜,尤其是還要將同軸電纜引出塑料裝配外。通過在ID內鑽出一小孔,可以將該同軸電纜引出去。最後使用塑料外殼或將一隻手放在塑料外殼上面(如同用戶使用鼠標時)進行檢查調試效果。所觀察到的回波損耗的影響最小。


圖37.使用塑料裝置時的SmithChart,連接至ID的圖表





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