射频工程师如何做匹配电路技术

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在实际操作过程中,即使严格按照数据手册的参数进行匹配设计,最终测试的结果往往与手册中给出的性能数据存在显著差异。这主要是由于射频电路中的“导线”不再简单扮演导线角色,而是具有复杂的特征阻抗,它受到多种因素的影响,包括线宽、线厚、介质层厚度和介质常数等。当我们在设计过程中使用分布参数理论进行分析时,会发现特征阻抗的变化会导致匹配效果的差异。此外,不同的应用场景和PCB布局也会导致板材、板厚和布线方式的变化,从而进一步影响特征阻抗的匹配。因此,简单地按照手册参数进行设计往往不能达到理想的匹配效果。
电路
 
为了改善这种情况,我们需要在调试过程中更加灵活和精准。一方面,我们可以参考手册中的拓扑结构,如π型、T型或L型等,作为调试的起点。另一方面,我们需要根据实际的PCB布局和特征阻抗的变化情况,对电容、电感等元器件的取值进行微调。在调试过程中,我们可以利用仿真工具进行辅助分析,通过不断优化元器件的取值和布局方式,逐步接近理想的匹配效果。同时,我们也可以借助专业的测试设备对匹配效果进行实时监测和评估,以便及时调整调试策略。
 
PCB设计后的调试过程许多工程师在此阶段常感到迷茫,不知从何下手。一种常见的调试方法是依据数据手册的参数直接焊接到PCB上,通过观察功率输出来调整电容和电感值。然而,这种方法效率较低,因为它没有考虑到PCB板上分布参数的阻抗,且不适合调试接收链路的阻抗匹配。为了更有效地进行调试,了解PCB板上分布参数的阻抗是关键。这样,我们可以利用史密斯圆图进行有依据的阻抗匹配,避免盲目尝试。获取这些阻抗有两种方法:一是使用仿真软件进行建模,但这种方法需要详尽的材料、尺寸和结构信息,且模型的准确性难以保证;二是直接使用网络分析仪进行测量,这种方法直观且结果准确。
 
以芯片模块、射频开关和天线组成的电路为例,我们可以选择射频开关的输出端作为50Ω参考点,利用网络分析仪分别测量传输线到天线和芯片端口的阻抗。目标是实现从该参考点看向天线和芯片方向时,阻抗均为50Ω。选择这个参考点有两方面考虑:首先,它位于接收和发射的共同链路上,只需一次匹配即可考虑天线对阻抗的影响;其次,虽然匹配次数增多,但每次匹配的元器件数量减少,降低了相互间的影响,提高了匹配效率。在进行匹配电路测量之前,我们首先要对网络分析仪进行校准,确保测试结果的准确性。随后,我们将PCB板上的非匹配网络器件焊接好,同时断开阻抗网络的落地元件,串联元件则用0Ω电阻进行短路,这是为了消除高频下焊锡可能产生的寄生效应,进而避免影响测量结果的精度。
 
在调试过程中,我们需要根据调试对象的不同,断开相应的连接。比如调试天线匹配时,应断开与芯片的连接;而调试芯片匹配时,则应断开与天线匹配组的连接。对于接收链路和发射链路的匹配调试,则可通过开关切换分别进行。测量发射链路的阻抗时,通常我们只需关注静态或小信号发射的阻抗,因为在芯片发射的线性放大区,通过微调器件,我们即可达到最佳的输出功率。然而,如果需要更精确地了解工作状态下的输出阻抗,那么就需要加入更多的测试器件。
 
具体到调试步骤,首先我们要校准网络分析仪,确保其精确到与PCB板上的射频线缆连接状态相匹配。然后,我们利用网络分析仪来测量阻抗,借助史密斯圆图进行阻抗匹配。在选择并焊接合适的电容和电感到PCB上后,我们还需要测量无线芯片的输出和输入是否满足设计要求。在选择匹配元器件时,我们也有一些基本原则需要遵循。例如,落地电容的值不应过大,以免信号容易流入地线;同时,电容和电感的值也不应过小,因为过小的值会受到误差的较大影响,从而影响产品的批次稳定性。此外,为了方便替换和备料采购,我们应选择常规值的电容和电感。
 
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