NXP NCK2912 天线阻抗匹配

一、匹配环境

射频匹配过程需要特殊的设备。本文将根据实际经验提供一个总览:

  • 网络分析仪与校准工具
  • 用于 PCB 阻抗测量的射频探针
  • 基于史密斯图表的计算工具
1.1、网络分析仪

网络分析仪评估射频信号的反射和传输来确定 S 参数。这种分析有助于确定复杂的射频阻抗以及网络和设备的衰减和增益。一种网络分析仪包括校准工具,以提高测量精度并补偿测量电缆和设备的影响。频率范围应包括基频以及高达三阶的谐波。
下图是  WPI ATU 做阻抗匹配时所使用到的网络分析仪  Agilent E5071C:

1.2、RF 探头

需要一种特殊的射频探头来测量 PCB 的阻抗和寄生电容。阻抗测量需要参照射频相关的 GND 平面。频率越高,GND 和信号探头之间的距离对测量的影响越大。精确的测量需要将感兴趣的点与靠近它的 GND 连接。这样的 GND 连接通常由 GND 过孔提供。

射频探针提供两个触点——一个是测试点,另一个则是与测试点相邻的地平面连接。触点之间的距离应该小于感兴趣的波长除以 20。对于典型的 PCB 来说,434MHz 大约是 9 毫米。

1.3、史密斯圆图计算工具

为了估计电容、电感和其他元件对阻抗的影响,射频工程师可以使用图形工具,从史密斯图中获取相关信息。有很多相关的程序可用。例如 Fritz Dellsperger(Fritz Dellsperger - Smith)。

二、网络分析仪校准
在测试之前由于电缆以及设备可能会对测试结果产生难以预料的影响,所以在使用网络分析仪测试 PCB 阻抗时,需要先进行校准,这里就需要介绍校准所使用的工具,如下图:


具体步骤如下:
首先按下仪器左下角电源开关,如果时间允许可以先让机器预热一段时间,这样一定程度上可以保证仪器精度。


然后接上接线座、测试电缆等器件之后就可以开始设置测试频段了,因为窄带接收器 NCK2912 的接收频段属于 434MHz 这种 UHF。所以需要先将中心频点设置为接收频点,这里我们可以将其设置为 433.92MHz,然后选择合适的带宽将基频及附近的点包含在内,此处我们选择 150MHz。与本次设置相关的键位如下:

然后可以通过“Format”按键将史密斯圆图界面唤出。


之后点击“Smith”:

然后再选择“R+jX”的复数形式:


在此之后就可以开始校准,按下网络分析仪上面的“Cal”按键:

然后,可以在校正界面中选中“Calibrate”,接着会出现“1-Port Cal”界面,此界面下会有“Open”,“Short”,“Load” 3 种情况的校准。用户需要先后使用校准件“O”口,“S”口,“L”口与测试电缆线连接。

每接上一个,就需要在网络分析仪上面点一下对应的校准按键,校准完成后在其左侧会出现相对应的勾选图标。

在最后连接“L”口,点击“Load”进行负载校准之后,暂时先不要拿掉校准件,还需要点击界面中的“Done”,此时所有频点的图像均集中至史密斯圆图的圆心处,则校准完毕。

前面的校准都是关于设备以及电缆的补偿,但是并不包含 RF 探头引入所带来的影响,所以在电缆线接上 RF 探头之后,需要将按下“Cal”回到 Calibrate 界面,然后选择“Port Extensions”选项。之后点击“Extensions OFF”,将其切换至“Extensions ON”。再选择“Auto Port Extension”。


在“Auto Port Extensions”中将“Select Ports”中的参数由 Port 1,2 改为只有 Port 1。然后再返回到“Auto Port Extensions”界面,将线损包含进去,点击“Include Loss”,将 OFF 改为 ON。

最后点击“Measure OPEN”,如果图像变为史密斯圆右侧的切线,则证明延长线校准完毕。然后用户可以根据自身需要将当前配置通过“Save/Recall”保存至网分或者是移动设备当中。

三、阻抗匹配
阻抗匹配按照匹配方式可以分为直接匹配或者是间接匹配。直接匹配指的是将上级模块的输出阻抗与下级模块的输入阻抗之间通过一个匹配网络进行匹配,以实现最优功率传输的目的,具体做法其实就是通过匹配网络,上级模块输出往后级看阻抗为其共轭,如此便可将虚部相抵。而间接匹配大家可能就比较熟悉,那就是将上下级阻抗均调整为 50Ω。虽然比起直接匹配,间接匹配可能需要使用更多的元件,但是由于现在很多测试仪器(如网络分析仪)都会 50Ω 输入/输出阻抗,所以模块性能测试就会方便许多。
直接测试由于匹配元件少,所以比较利于 PCB 设计,在窄带接收器中,由于客户可能会使用到 SAW Filter——声表面滤波器,在对它和接收器之间进行匹配的时候,就需要使用直接匹配,需要根据选型 Data Sheet,将阻抗调整为其共轭复数。
不过在本次调试中,虽然 NCK2912 有预留 SAW 位置,但是却通过 C19 以及 C20 绕开了 SAW(SAW 也就没有使用),所以本次调试,无论是在天线端还是芯片端,均采用的是间接匹配。



3.1、天线端匹配
在对天线端进行调试之前,我们可以先将连接天线端以及芯片端的 C21 & C20 & C19 去掉,避免芯片端带来的影响。紧接着可以将天线端匹配元件 L4、C25、C26 暂时去除,将 RF 探头的中心触头连接 L4 的 2 端,将 RF 探头的外皮连接至靠近测试点的地平面,此处可以选择 C25 的 1 端。先测试 PCB 天线阻抗性能。

接着我们需要把 RF 探头的测试点移至 C26 的 2 端,外皮则与电感 L3 所在位置的 1 端相连。根据实际元件预留位置以及当前阻抗点位置,我们可知道秉承最少元件原则,应该尽可能使用 L 型网络(包含有 L&C, C&L, C&C, L&L 的分布)使天线阻抗向 50Ω 转换。按照“上感下容,左并右串”的经验,我们可以大概预估,串接一颗电感,可以使关注频点的阻抗向左上移动穿过水平轴,来到感性平面,然后最终向右上方移动,当它落到合适的位置时,再并联一颗电容,则可以让观测点向右下方的圆心处逼近。所以说采用 L&C 的排布可以让天线的最终阻抗转换至 50Ω。
而具体的数值选择,则可以使用 Smith Chart 这一类仿真工具,将理论值计算出来,由于 PCB 设计的问题,实际值与理论值是有偏差的。所以需要根据实际测试环境的测试结果进行更换。经过调整—— L4: 51nH, C25: 10pF, C26: 0Ω ——之后,实际的 433.92MHz 的阻抗值是比较接近纯阻性的 50Ω 了。如果还有合适的电容,应该可以将容性调整为阻性。


3.2、芯片端匹配

天线端匹配差不多之后,就需要将芯片端的阻抗也调整一下,这时候可以先将匹配元件 C17-L1-C18(π 型滤波) 去掉。

将 RF 探头测试点移动到 L1 的 1 号脚位,外皮与 C17 的 1 号脚位焊在一起,即可测试芯片的输入阻抗。

通过并联 4pF 电容(C17),让阻抗测试点在容性平面向左下移动。

然后串接 24nH 电感(L1),使其越过水平轴,到达感性平面的左上方。

最后,只需要再串接一颗 13pF 的电容(C18),便可以使 433.92MHz 频点的阻抗向圆心处逼近。


做完上述调整后,将 C19,C20,C21 换上 0Ω 电阻,确保天线能够正常工作。然后测试窄带接收器 NCK2912 RKE 的工作距离,然后测试显示未作调整时最大接收距离是 19.5m。而在天线端以及接收端匹配过后,在 25m 的地方仍能够接收到消息帧。这一定程度也说明了接收灵敏度有所提高。

四、参考文档
[1] 2.4G RF 性能调试操作手册_Jane Yu_2018.11.30.pptx
[2] 汽车门禁射频接收器阻抗匹配介绍.pdf
[3] AN-CAI1403_TOKEN_RF_PA_Matching (1.1).pdf

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