【導讀】隨著無線設備的普及，如今需要強大的信號強度和高質量的RF天線設計和集成，以實現最佳性能。無論是現成的產品還是高度定制的解決方案，天線集成都不是微不足道的，也不應該是事后的想法。必須將天線輸入阻抗匹配到50Ω，以確保從RF電路到天線的最大功率傳輸，而不會產生任何反射。
隨著無線設備的普及，如今需要強大的信號強度和高質量的RF天線設計和集成，以實現最佳性能。無論是現成的產品還是高度定制的解決方案，天線集成都不是微不足道的，也不應該是事后的想法。必須將天線輸入阻抗匹配到50Ω，以確保從RF電路到天線的最大功率傳輸，而不會產生任何反射。
射頻天線的關鍵實現方面
實現走線或芯片天線的最關鍵因素之一是天線與無線電芯片的阻抗匹配。天線在組裝在產品中時必須進行阻抗匹配，因為天線不匹配可能會導致以下后果：
減少范圍損失：阻抗不匹配會導致更多的信號反射，從而為天線輻射到自由空氣中提供更少的功率，從而縮小范圍
在特定所需工作頻率下減少天線的回波損耗：在所需的工作頻率下，天線應具有至少-10 dB或更小的回波損耗。阻抗失配會增加所需頻率范圍內的回波損耗，從而導致在該頻率范圍內傳輸到天線的RF功率減少
更高的耗電量：由于阻抗不匹配引起的信號反射導致天線輻射的功率較小。這將要求RF芯片以更大的功率傳輸信號以達到所需的范圍，從而增加整體功耗
由于信號反射導致射頻芯片發(fā)熱：由于阻抗不匹配引起的信號反射導致射頻能量回流到發(fā)射器中，從而導致發(fā)射器發(fā)熱，從而延長發(fā)射器的使用壽命
不可靠的數據吞吐量：由于阻抗不匹配，信號反射引起的較高數據包誤碼率（PER）和RF收發(fā)器的數據吞吐量可能不是該產品的最佳選擇
大多數PCB走線或芯片天線被構造為四分之一波單極子，這需要所有PCB層上的堅實接地層才能正常工作。該接地層被稱為“對位”，并且很重要，因為它充當單極天線的假極，使其像完整的偶極子天線一樣運行。
平衡的長度和寬度應至少為 λ/4 個單位。下圖使用芯片天線實現示例顯示了各種接地層尺寸的影響。
此外，PCB材料也會影響天線系統(tǒng)阻抗。特別是對于FR4型基材，其還取決于編織圖案，根據編織的緊密性導致材料的介電常數發(fā)生變化，并且由于寄生電容的變化可能導致局部阻抗不連續(xù)。對于PCB走線天線的實現，設計人員必須嚴格遵循天線設計指南和天線制造商在走線寬度、層堆疊、平衡尺寸、PCB材料和材料編織圖案方面的建議，以便在實現走線或芯片天線時獲得最佳結果。天線系統(tǒng)阻抗還受到其周圍的其他電路組件和產品外殼材料的影響，應予以考慮。
使用矢量網絡分析儀 （VNA） 調試天線
阻抗不匹配可以使用矢量網絡分析儀 （VNA） 進行調試。默認情況下，VNA 在校準平面上進行測量，并且需要在進行測量之前進行校準。為了匹配天線和RF芯片之間的阻抗，需要測量回波損耗（RL），也稱為S11參數。
讓我們了解矢量網絡分析儀（VNA）的校準方法
大多數 VNA 都帶有 N 型連接器作為其端口。調試任何天線系統(tǒng)的第一步是使用 N 型到 SMA 電纜和各種（開路、短路和 50Ω）校準標準，在校準平面上校準 VNA。VNA必須連接到天線系統(tǒng)，以便匹配網絡也包含在測量過程中。這可以通過在“MC1”處安裝一個0Ω串聯(lián)電阻并使用稱為“端口擴展”的合適電纜來完成。端口擴展必須具有已知的長度和已知的速度因子，因為需要將此數據饋入VNA，以補償端口擴展在測量過程中增加到系統(tǒng)的額外長度和阻抗。此外，應選擇端口擴展，使其特性阻抗與目標系統(tǒng)阻抗相匹配。
校準VNA的另一種方法是使用匹配的元件焊盤在PCB本身上創(chuàng)建短路/開路/負載（SOL）條件。這不需要應用端口擴展。根據董事會的實施情況，應從兩者中選擇合適的方法。
使用史密斯圖進行阻抗匹配
VNA以復數R+jX Ω形式提供天線系統(tǒng)的阻抗，其中R是由純電阻引起的阻抗的實部，X是由電抗引起的阻抗的復數部分。獲得天線系統(tǒng)的復阻抗后，可以將其繪制在“史密斯圖”上，以確定所需匹配組件的值和拓撲。如今，這可以使用諸如“ SimSmith”之類的程序輕松完成。
將天線系統(tǒng)的復阻抗饋入 SimSmith 將導致在史密斯圖上的相應點上繪制一個點。如上圖所示，天線系統(tǒng)的復阻抗可以位于史密斯圖的電感或電容兩半中。通過利用幾個關鍵點來確定匹配的網絡組件以使天線系統(tǒng)與目標匹配負載匹配：
串聯(lián)電感沿恒定電阻圈順時針方向移動繪制的復阻抗點
串聯(lián)電容器沿恒定電阻圈以逆時針方向移動繪制的復阻抗點
并聯(lián)電感沿恒定圓逆時針方向移動繪制的復阻抗點
并聯(lián)電容器沿恒定電導圈順時針方向移動繪制的復阻抗點
串聯(lián)或并聯(lián)配置中可能需要多個組件或多個組件的組合，以匹配目標阻抗
最好使用串聯(lián)電感器和并聯(lián)電容器，因為增加兩者的元件值會導致繪制的阻抗點沿恒定電阻/電導圓的軌跡進一步移動。這是有利的，因為電感或電容器的極低值實際上無法實現
使用單個匹配網絡通常會導致系統(tǒng)帶寬下降，可以使用匹配網絡的多個階段來實現適當的匹配和最佳帶寬
例如，下圖顯示了使用串聯(lián)電感和并聯(lián)電容器將復阻抗為25+j8.5Ω的天線系統(tǒng)與目標阻抗為50Ω的匹配。
盡管阻抗匹配看起來很復雜，但它確保了任何無線產品的最佳性能，否則天線可能會成為產品性能的瓶頸。
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