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天线匹配电路的仿真讨论

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#申请原创#@21小跑堂
做天线设计的时候,当两个阻抗不一样的电路连接到一起的时候,就很容易造成反射,因此就需要进行阻抗匹配。不仅layout走线需要50欧姆阻抗设计,还需要专门预留阻容感的匹配电路,如下图电路所示。其中电阻也可能是电感,电容之类的器件

这其中匹配电路的设计,芯片模组厂商会直接在硬件指导手册给出参考设计,我们做应用的时候就直接借鉴,很少做修改的。即使给出的参数,在实际射频产品中的性能指标不能满足满足,这个时候会直接把电路板寄给芯片厂商,他们帮忙调试完成后,就阻容感参数再次固定,我们修改BOM,就将天线相关的匹配电路设计完成。
如果不了解芯片厂商的调试匹配电路过程,那么做产品是被动的接收。
芯片厂商一般是这样调试的:
首先要断开无线射频模块,从断开处连接同轴线,随后再连接到网络分析仪。
随后将并联的器件空贴,串联的器件贴0欧姆电阻。
此时在网络分析仪的史密斯图上,就能识别到天线无匹配电路时候的原始阻抗。
下图标红的位置,就是网络分析仪的天线原始阻抗。

随后就调整匹配电路的电容电感等参数,将史密斯圆图上的阻抗调整位50欧姆,从而实现阻抗匹配。
匹配电阻的参数选择,也是有方法的。可以先借助仿真工具。
比如下图使用Smith V2.01小工具,
先根据网络分析仪测试无匹配电路,天线的原始阻抗大概位置。
然后利用仿真工具找到原始阻抗位于1点,通过先串电容,再并联电感的方式,就可以到达中心50欧姆阻抗点。
从而完成匹配电路的设计

随后按照仿真电路的给出的参数,在电路板上焊接电感和电容的参数。然后不断微调参数,完成50欧姆阻抗匹配后,可以将天线的驻波比VSWR在天线工作频率@2.4GHz处低于2.0。
由于layout走线是按照50欧姆阻抗设计,但是天线的原始阻抗不一定是50欧姆。如果直接把天线和layout走线连接到一起,送入无线射频模块。就会出现阻抗不匹配的现象。
新增加的匹配电路的参数设计过程,实际上是又加入了一段传输线,从而实现天线+匹配电路的50欧姆阻抗。
这种匹配电路的设计理念是四分之一波长阻抗变换器。然后利用阻抗变换公式,实现阻抗匹配。这种计算过程很复杂,在工程应用也很麻烦。所以这个时候,只需要使用Smith V2.01小工具,就能很轻松的实现匹配电路的参数确定。
至于到底是串联电感,还是并联电容的设计过程。
也是有技巧的:
史密斯圆图的上半部分呈感性,下半部分呈容性
将上半圆和下半圆一份为二的直线是纯电阻线
串联电感,就沿阻抗圆顺时针转动,感值大,影响越大
串联电容,就沿阻抗圆逆时针转动,容值小,影响越大
并联电感,就沿导纳圆逆时针转动,感值小,影响越大
并联电容,就沿导纳圆顺时针转动,容值大,影响越大
串联电感或并联电容相同值对低频影响比高频小
串联电容或并联电感相同值对低频影响比高频大
有了这些技巧,再加上仿真软件用几次就很熟悉了

随后和芯片厂商讨论匹配电路的时候,就知道为什么要这样设计电路。而且根据史密斯圆图的变化路径,就知道匹配电路不仅仅是只有一种的,可以串电感并电容,也可以串电容并电容,最后都能实现50欧姆的阻抗。但是路径越长,尽管最后的阻抗是50欧姆,但是在驻波比,插损值会变差,所以阻抗变化的路径越短越好。
当然天线设计工程师会使用专门的天线仿真软件,比如HFSS,ADS之类的。
下图是ADS软件进行阻抗匹配的原理图,输入源和负载都不是标准的50欧姆,需要进行LC阻抗匹配的

这种专门的前仿软件更加方便,只需要把输入源和负载参数设定后,就可以自动得到响应的LC匹配电路。相比Smith V2.01这种免安装的小软件更加便捷性能。

通过对LC匹配电路基本仿真的了解后,就可以和芯片厂商讨论匹配电路是否是最优的,是否还可以优化,在结构设计的时候需要如何避免对天线的影响,提升设计效率。

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