汽车门禁射频接收器阻抗匹配介绍

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1 介绍
          目前在汽车领域基本上都实现了遥控钥匙进入、无钥匙进入，启动的方式。无论是RKE (Remote Keyless Entry) 还是PKE (Passive Keyless Entry) 系统，都会用到UHF接收模块。而UHF模块的设计对整个系统性能来说起着非常重要的作用。
           
          UHF 接收模块一般由一下几部分组成：天线，声表面波滤波器（SAWF，可选），外部低噪声放大器（Ext. LNA，可选）, UHF接收芯片（UHF Receiver），以及这些元器件之间的阻抗匹配电路。如Fig 1.
           

       

         

          对于整个接收模块来说，在PCB设计好的情况下，硬件上性能的优化，主要就集中在了如何进行各个子模块之间的阻抗匹配，使得信号在各个模块之间传输时损失最小。这篇文章主要来谈一下UHF接收模块的阻抗匹配的方法。
           
          总体上来说，阻抗匹配有两种方式：一种是直接匹配，另一种是间接匹配。
           
          所 谓直接匹配，就是说把系统前级模块的输出阻抗和下级模块的输入阻抗，只通过一个匹配网络，直接进行匹配。 如Fig 2所示。由于匹配的目的是要得到最优的功率传输，所以这个匹配又可以叫做功率匹配或者共轭匹配。例如，假设前级模块的输出阻抗是Zo=x+jy ohm, 后级模块的输入阻抗是Zin=a+jb ohm，通过匹配网络后，从前级模块输出往后级看去阻抗为Zo’=Zo*，即Zo’=x-jy. 这样前后级就可以说共轭匹配就完成了。
           

       

         

          间接匹配，如Fig 3所示。把前级输出阻抗和后级输入阻抗，分别匹配到50ohm。这样前后级就通过50ohm这个“中间人”匹配到了一起，这就是所谓的间接匹配。
           

       

        对于系统来说，决定是选择直接匹配还是间接匹配有很多因素要可虑。一般来说，直接匹配优点主要是所需匹配元器件少，损耗自然也会小一点，占用PCB空间小， 易于PCB设计；缺点是有时前级的输出阻抗比较难测量，只能通过查询相关的规格书来得到，结果有可能会误差比较大；由于模块间是任意阻抗的匹配，而一般 RF测试设备都是50ohm输入/输出阻抗，想测试每个模块节点间的性能就很不方便。相反，间接匹配需要更多的匹配元件，占用更多的PCB空间；但优点同 样突出，由于模块间都是匹配到50ohm，每个模块节点的性能测试起来都比较方便。
           
          本文将以下面的 (Fig 4) 模块构架为例来介绍如何进行一步一步的匹配。可以看出里面既包含了间接匹配又包含直接匹配。
           
          2 阻抗匹配的步骤
          在实验室进行阻抗匹配一般需要用到的设备是：网络分析仪（用于阻抗的测试和匹 配），RF 信号发生器（用于匹配后性能的测试和确认），SmithChart仿真软件，有时还会用到数字型号发生器。在汽车门禁系统，一般用到的频段是 315MHz, 434MHz, 868MHz, 915MHz，我们以434MHz频段为例来说明整个流程。
           
          本文以下面的 (Fig 4) 模块构架为例来分部介绍如何进行阻抗匹配。
           

       

         

          阻抗匹配的流程一般为：天线模块的匹配，射频接收器和SAWF 输出匹配，SAWF输入端的匹配。
           
          2.1 天线匹配
          由于使用天线总类不同，天线的阻抗也会有很大不同，要么表现为感性阻抗，容性阻抗或者纯电阻。假设测出来的天线阻抗是Zant=20+j200，来看一下如何进行匹配。
           
          从Zant到50ohm阻抗转换有很多种拓扑结构，以最少元器件原则一般L型网络就可以实现。那具体L型网络的L&C, C&L, C&C, L&L的分布，可以按照具体要选择高通滤波型，低通滤波器型，带通滤波器或者是隔直流型等形式。
           
          通过SmithChart 仿真器仿真 (Fig 5)可以看到，天线通过串联2.1pF和并联一个9pF的电容，在Fig 4的A点可以得到ZA=50ohm的阻抗。这种匹配是最经济的一种方法，只要两个电容就可以实现。
           

       

         

          然而如果既要完成阻抗匹配，又要实现低通滤波效果，则可以采用Fig 6的形式来实现，
           

       

         

          以此类推也可以得到具有高通滤波的匹配网络。
        天线的匹配通过这种方法就可以完成了。在A点向天线看过去，经过匹配网络阻抗转换就得到了50ohm的阻抗。
           
          通过上述匹配后，天线的性能可以直接在专门的电波暗室里测试。天线的增益，方向性，场分布等性能都是比较重要的参数，对整个系统性能影响也比较大。
           
          需要注意的是，由于模块外面都有外壳然后放在车内工作，天线的性能受外壳和车内环境影响比较大。在进行天线阻抗匹配的时候一定要注意实际工作的环境，最好是把模块装进外壳，放在车内固定位置进行阻抗匹配。如果这样做实在困难，也可以使用汽车台架来操作。
           
          2.2 射频接收器和SAWF的匹配
          在Fig 4中可以看出，SAWF输出和射频接收器之间只用到了一个匹配网络，这就是上面提到的直接匹配。在确定要使用SAWF的系统中，一般只要确认SAWF加上 射频接收器的灵敏度就可以了，因为SAWF的插入损耗一般是已知的。当然，如果确实需要单独测试射频接收器的灵敏度，可以在这里再加一个匹配网络，把 SAWF和射频接收器分别匹配到50ohm，前提是在他们之间有足够的空间来布置元器件。
           

       

         

          下面来讨论一下基于Fig 7的阻抗匹配方法。
           
          步骤 1：确认射频接收器的输入阻抗。
          在射频接收器的数据手册里都会标明射频输入端的输入阻抗值或者等效的R//C值是多少。有些读者会直接用这个值来作为芯片的射频输入的值来进行匹配。这里需要说明的是，这个值一般是芯片设计的理想值，具体到不同的PCB板的话普遍有比较大的差异。
           
          正 确的做法是，给接收器通电，通过上位机或者芯片内部程序使芯片处于接收状态，如果内部有低噪声放大器的话，要使它处于最大增益状态，同时调整网络分析仪的 输出功率，使得芯片内部放大电路工作在线性放大状态，防止其饱和，从而影响结果。一般功率设定在-60dBm以下就可以满足要求，具体参考芯片的数据手册。
           
          步骤 2：查看SAWF的数据手册，找出输出阻抗值。
          由于SAWF的输出阻抗很难在实验室测量，我们暂时假设它的值为数据手册所示。比如
          Zout=60-j150.
           
          步骤3：对芯片输入和SAWF输出进行共轭匹配。
          窄带SAWF一般是设计用于功率匹配，即共轭匹配。
           
          这一步主要是用到Smithchart 仿真工具，暂时不需要网络分析仪。因为SAWF的输出阻抗难以测量，我们以假设为基础仿真出所需要的匹配网络，在后面步骤，我们会来验证这个假设。
           

       

         

          由Fig 8看出，射频接收器输入端阻抗，通过并联2.7pF电容和串联89nH电感，在C点得到阻抗Zout*=60+j150 ohm，正是SAWF 输出阻抗Zout的共轭阻抗。
           
          到这里，射频接收器输入端和SAWF输出端的匹配基本完成。接下来的步骤会反过来验证这一步的结果。
           
          步骤4：SAWF 输入端匹配
          这一步的匹配和步骤3联系比较紧密。首先，接收器和网分的设置和步骤1相同。
           

       

           
          在A点用网分测量输入阻抗，调整输入匹配网络，使得测得的A点的阻抗为50ohm。具体方法在“参考1”中有详细描述。
           
          假设在A点测得的阻抗类似Fig 9中所示。可以看到此时阻抗是ZA=43-j9 ohm。我们把网络分析仪测量格式改成驻波比和Log Mag，确认一下匹配性能，如图Fig 10, Fig 11。可以看到VSWR=1.39，Log Mag=-17.5dB。一般情况下要求Log Mag<-10dB，所以目前的匹配是很好的。
           

       

           

       

           

       

          在Fig 9中我们注意到434MHz附近有一个卷曲的环，这是由于SAWF的原因产生的。可以看到这里的环非常小，而且距离50ohm也非常近，说明步骤3和4的匹配是成功的。
           
          如果结果显示卷曲的环比较大的话，说明在步骤3中的匹配产生了偏差，需要调整一下匹配网络元器件的值，直至达到想要的结果。
        步骤5：测试验证从SAWF到芯片的性能
          至此，整个匹配工作基本上完成，下面还需要对匹配的结果进行测试验证。
           
          一般是用射频信号发生器从A点输入调制信号，通过降低输入信号的功率测试芯片的灵敏度。根据芯片厂家规格书上的设定描述和评判标准来测试，然后结果和对应的芯片规格书的灵敏度对比，如果结果很接近，说明匹配是好的，如果结果差别比较大，就需要对匹配的结果进行微调。
           
          如果按照上述步骤来进行匹配，期间不出现明显的错误，最后得到的结果会和芯片厂家的结果非常接近。
           
          步骤6：验证整个模块的性能
          最后，把天线和后面的所有子模块都连接起来，按照不同的客户要求来测量这个模块的性能。