NCF29A1 高端阻抗匹配

一、前言

        Class E 高端 L-Front 匹配集成了額外的濾波器，提供了足夠的諧波衰減，使 NCF29A1 與天線在比基頻更高的頻率下具有相當大的增益。向 PA 提供的阻抗和輸出電容與表 1 Z_PAOUT 所示相同。

二、原理圖

圖 1 高端 L-Front 匹配原理圖

        1）從基本的 L-Front 匹配派生，集成了一個附加的低通濾波器與 H2 陷波。
        2）C2 和 L3 形成一個串聯諧振電路，該電路被調諧到二次諧波。電路是並聯的，用作陷波來衰減二次諧波中的功率。
        3）L2 和 C3 作為獨立的串聯諧振電路，在低次諧波中降低功率。
        4）扼流圈電感 L4 提供 PA 電源電壓，並連接到串聯電容 C3 前面的匹配網絡。

 

三、匹配網絡

        高端的 L-Front 匹配允許比基本匹配更靈活地調整匹配阻抗 Z_PAOUT。它使用較小的線圈值來降低線圈類型對良好的高諧波衰減的要求。它主要提供 H2 和 H3 有更好的衰減。這些優點使高端匹配成為使用非 PCB 天線或線圈類型限制或元件值範圍有限的應用的更好選擇。

        匹配網絡由多個諧振電路組成，主要是為了減小基頻的相位延遲。下面將根據理想條件下該頻率處的阻抗來解釋匹配網絡。

        1）如圖 2 所示，匹配網絡和阻抗，忽略 PCB 對 C_{b_EXT} 的其他影響:
        2）如圖 3 所示，在基頻條件下：

                ① 由於 L_Choke & C_NH2 共振，C4 接地電容容值一般為 100pF，容值較大，高頻信號會通過它流入地平面，C4 相當於給高頻信號提供一個短路。
                ② H2 陷波在基頻處的阻抗由 C2 控制。如果選擇 C2 和 L3 在 H2 處共振：C_NH2 = 4/3 * C2。

圖 3

        3）由圖 3 所示，C_NH2 可以選擇與扼流圈電感共振。這要求 C2 小於 2pF，以便為 L4 提供足夠高的值。由於共振，L_Choke 和 C_NH2 在基頻上是不可見的，如圖 4 所示。

圖 4

        4）選擇由 C3 和 L2 組成的串聯網絡在基頻上諧振。通過這個 Z1 將幾乎相同的 50Ohm 提供的天線。

圖 5

        在實際應用中，PCB 和網絡元件的影響是不可避免的。通過使用網絡分析儀監測阻抗，仍然可以選擇使阻抗 Z1 和 Z2 幾乎符合理想條件的元件。

        Z1 在實際中需要一定的容差，應該在 40 到 60 歐姆的範圍內，只有很小的電抗。

四、匹配過程

        下圖 6 顯示了在基頻 434MHz 下使用典型值模擬的網絡的不同阻抗。

        由於 C_NH2（C_NH2 = 4/3 * C2）和 L_CHOKE 的共振，阻抗 TP3 等於 TP5 (Z2)。TP6，即阻抗 Z1，接近天線輸入阻抗 50Ohm，最終 Z_PAOUT 調整到（50+j115）Ohm。


圖 6 射頻匹配仿真實例，用於 434MHz 和 10dBm 輸出功率

高端匹配步驟:

        1）準備

                ① 使用 PCB 安裝所有組件，如按鈕，LED 和 LF 線圈天線。
                ② NCF29A1 / NCF29A2 和 RF 匹配元件不貼。

        2）默認條件的設置

圖 7 測量 PCB 提供的輸出電容

        3）貼上 C3, 由於 L2 和 C3 在基頻上諧振，L2的自諧振頻率應在三次諧波頻率以上，以衰減低次諧波，相應地，根據實際使用的線圈，C3 不應選擇太小，下面是不同基頻下 C3 的取值：

• 315MHz：7pF
• 434MHz：7pF
• 868MHz：5pF
• 950MHz：2pF

        根據對應基頻選取 C3 容值。

        4）設置 H2 陷波和 L4

                ① 貼上 C4，推薦容值 100pF。
                ② 在 1 ~ 2.2pF 之間選擇 C2 容值：

• 315MHz：8pF ~ 2.2pF
• 434MHz：5pF ~ 1.8pF
• 868MHz 及以上：0pF 及以下

                ③ 計算 L3 在 2 次諧波頻率下與 C2 共振的值：

                        L = 1/(C*(2pf)²)

                        由於 PCB 布局和元器件頻率依賴關係的影響，需要實現的 L3 值通常比計算值小 1 ~ 2nH。

                ④ 用上述公式計算在基頻下與 4/3*C2+0.5pF 諧振的 L4 值，並貼上 L4 電感。
                ⑤ 根據 ② ③ 的選取和計算，貼上 L3、C2 對應元件值。

        5）設置 L2

                ① 由於 L2 & C3 在基頻上共振，可根據公式 L = 1/(C*(2pf)²) 和 C3 容值，計算 L2 的感值。
                ② 如果 PA 阻抗 Z_PAOUT 要求的啟動阻抗 Z1 與 50Ohm 略有不同，則 L2 應該稍高或稍低。
                ③ 測量基頻 C1 處的阻抗 Z1（如圖 5），它應該在 40 到 60 歐姆的範圍內，只有小的電抗。

        6）調整 Z_PAOUT

                ① 放置 L1 和 C1 使阻抗 Z_PAOUT ≈ 50Ω。
                ② Z_PAOUT 最好在圖 7 所示的同一點測量。
                ③ 阻抗 Z1 需要如步驟 5 中所述，保持在 40 到 60 歐姆的範圍內。
                ④ 確保 Z_PAOUT 要儘可能準確，公差將導致電源電流的增加。
                ⑤ 為了更好地阻抗匹配，必要時可以改變阻抗 Z1。

        7）測試 PA 性能

                ① 貼上 NCF29A1。此外，還可以使用第二塊 PCB，所有組件均已安裝，包括 NCF29A1 以及在上面步驟中找到和定義的匹配元件值。
                ② 拆除步驟 2 中引入的 50Ω 電阻，以之前放置 50Ω 電阻的端點處為測試點焊接上射頻探頭。
                ③ 給 NCF29A1 上電，並將射頻探頭與頻譜分析儀連接。 (頻譜分析儀現在提供 50Ω 以具有相同條件的阻抗 Z_PAOUT)
                ④ 通過按鍵或者低頻信號觸發 NCF29A1 發射高頻信號，可以在頻譜儀上獲取到 NCF29A1 對應的發射功率，如圖 8 所示。

圖 8 NCF29A1 PA 的頻譜儀測量結果

• PA 輸出功率應與軟體設定值（一般為 10dBm）一致。
• 由於 50Ω 是由頻譜分析儀為諧波提供的，電流供應可能比預期高 1~2mA。

        8）連接天線

                ① 調整天線，使其在默認情況下提供 50 歐姆

• 對於手持設備，PCB應放置在外殼中，以避免後期因其影響而誤配。

                ② 將天線連接到 PA 匹配電路。
                ③ 最後測試輻射功率和電流消耗方面的性能。
       
        9）性能優化



五、參考文獻

[1] AN-CAI1403_TOKEN_RF_PA_Matching (1.1).pdf