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HAM大学:天线调谐丨小白可以参考的跳坑指南(2)

PCB的指导方针

天线位置

在将天线放置在PCB上时,应尽可能遵循天线数据表中给出的准则。确保天线附近没有金属部件,因为金属部件可能会导致天线参数发生变化。将天线与源连接的馈线应等于源阻抗,因为馈线构成连接天线的传输线的一部分。

将天线连接到源的馈线应等于源阻抗,因为馈线构成连接天线的传输线的一部分。为了调谐目的,应该在天线放置之前(如果需要调谐天线)添加Pi网络--最好是在‘0403’封装中。

如何调谐天线:

本节将给出一个实践理念--如何进行天线调谐。每一步都有一个使用实例,它描述了笔者是如何调谐天线的。

  • VNA校准

天线调谐的第一步就是VNA校准。VNA校准或矢量误差校正是通过测量已知的校准用标准来描述网络分析仪系统的系统误差的过程。随后,从数学上消除了所描述的系统误差对原始测量的影响。在VNA和DUT(在试设备)之间的长电缆会增加相位延迟,从而导致错误的测量结果。

  • 如何在PCB上进行VNA校准

为了检查没有安装在PCB上的天线,可以借助校准工具包直接进行VNA校准。请参阅关于如何校准VNA的具体VNA文档。然而,要检查安装在PCB上的天线,必须使用PCB本身进行校准。这是因为馈线实际上是馈电天线的传输线的一部分。因此,也需要考虑到这一点。校准时,采用质量好、长度短的同轴电缆,如图像所示,将电缆焊接在PCB上。电缆应在馈线开始点之前焊接。

只需保持PI电路打开即可完成OPEN校准。SHORT校准可通过将馈线与接地短路来完成,LOAD校准可通过在馈线和接地之间连接电阻器来完成(PI电路可用于放置电阻器)。

选择校正阻抗、容错在1%或以上的电阻器。校准完成后,保存校准(请参阅VNA文档)以备将来使用。

使用实例

考虑到以上几点,笔者准备了自己的PCB进行校准。

为了进行OPEN校准,我们移除C24、C26、R22、R28和R27。为了进行SHORT校准,我们在C24处安装了一个0Ω的电阻器,并保持其他所有参数不变。为了进行LOAD校准,在C24处安装了一个50Ω的电阻器,以保持其他参数不变。这就产生了我们用于天线测量的校准。

  • 初始天线测量

一旦校准完成,就可以开始测量天线。连接VNA与天线,没有任何匹配的组件。如果天线需要装在盒子里,就把它装在盒子里。在感兴趣的频率范围内检查回波损耗和电压驻波比(VSWR)。任何低于-10dB的回波损耗/电压驻波比 < 2:1就足够了。从-10db到-20db没有什么大的好处。

这是因为当VSWR为2:1时,传输到天线的总功率只有11.1%被反射回来。这意味着89.9%的总功率是通过天线传输的。在VSWR为1.5:1时,4%的总功率被反射,96%的功率通过天线传输。传输功率89.9%与96%无显著差异。

如果天线在期望频率范围内的响应已经低于-10dB,则对天线进行调谐。如果没有,则继续讨论如何调谐。

使用实例

笔者在没有任何匹配组件的情况下测试了天线--按上述校准过程。下面是结果。

回波损耗图VS频率

史密斯圆图

可以看出,回波损耗的“谷值”在2.5GHz左右,但要求的频率范围是2.4GHz ISM频段。

  • 决定要调谐哪个点

根据使用实例的不同,天线可能必须工作在单一频率或宽频率范围内。如果天线必须在一个频率上工作,那么兴趣点就是这个单点。例如,一个天线可能只需要在868.5MHz工作。在这种情况下,只有一点是值得注意的。在某些情况下,天线必须在一定的频率范围内工作。例如,在2.4GHz ISM频段工作的天线必须工作在2400MHz到2483.5MHz之间。如果天线必须在一定的频率范围内工作,通常频率范围的中心点是兴趣点。它可以根据应用程序用例向任何方向移动。如果必须选择更高的频率范围,兴趣点可以向更高的范围移动,如果需要较低的频率范围,则相同。一旦确定了兴趣点,请在VNA绘制的史密斯圆图上检查它。笔者的目标是把它带到代表完美匹配的史密斯圆图的中心区域。为了将兴趣点移到史密斯圆图的中心,使用了匹配的组件。

使用实例:

在应用程序中,兴趣点被设置为2440MHz,因为所需的频率范围是2.4GHz ISM频段。笔者的目标是使上图中的点“2”(2440MHz)尽可能靠近史密斯圆图的中心。

  • 计算匹配组件值

为了找出匹配的组件并计算它们的值,需要对史密斯圆图上的点如何移动有一点了解。这里展示了一个非常基本和实用的方法,要了解更多关于史密斯圆图的信息,请查看这里的文章:

http://www.antenna-theory.com/tutorial/smith/chart.php

使用史密斯圆图计算器,确定要使用的匹配组件并计算它们的值。目标是使所需的调谐点尽可能靠近史密斯圆图的中心点。有时,可能无法仅使用一个组件将该点移动到中心位置。在这种情况下,必须使用多个组件。

  • 史密斯圆图教程:

史密斯图是一种把天线的复阻抗看成频率函数的工具。因此,史密斯图表上绘制的点本质上是复杂的,即它们有一个实值和一个复值。实值在x轴上,复值在y轴上。史密斯图上的点只能沿着特定的路径移动。这些路径被称为“恒阻圆”和“恒导圆”。同时具有“恒定电阻圆”和“恒定电导圆”的史密斯图称为“容抗史密斯图”。

史密斯圆图是一种使天线的复阻抗可视化为频率函数的工具。因此,在史密斯圆图上绘制的点本质上是复杂的,即它们具有实值和复值。将实值绘制在X轴上,复值在Y轴。在史密斯圆图上绘制的点只能沿某些特定的路径移动。这些路径被称为“恒定电阻圆”和“恒定电导圆”。具有“恒定电阻圆”和“恒定电导圆”这两个的史密斯圆图被称为“导抗史密斯圆图”。

导抗史密斯圆图

史密斯圆图上的点是如何移动的

要沿着特定路径移动点,需要匹配的组件(电感或电容)。

在下列所有情况下,红点表示起点,蓝点表示终点。

串联电感器将沿恒定电阻圆顺时针方向移动点。

串联电容器将沿恒定电阻圆逆时针方向移动点。

并联电感器将沿恒定电导圆逆时针方向移动点。

并联电容器将沿恒定电导圆顺时针方向上移动点。

使用实例:

使用SimSmith工具计算匹配的组件值。笔者决定使用L电路,因为只有一个组件不足以将点“2”(2440MHz)带到中心。

计算出的匹配组件值如下:

  • 并联电容器:1pF
  • 串联电感器:1nH

理论计算的点位移是这样的。

用计算的组件值测试天线性能

利用上述计算出的组件值,再次进行天线测量。如果感兴趣的频率远低于-10dB,则进行调谐。

使用实例:

利用上述计算值,再次进行测量。所得结果虽不准确,但与理论计算相当接近。对于2.4GHz的ISM频段,天线似乎调谐得很好,但笔者的要求是获得更高的频率范围。

回波损耗图VS频率

史密斯圆图

重复上述步骤,直到所需的点匹配正确为止

理论计算的匹配组件值在实际应用中可能不能提供完全相同的响应,因为电感器中总是存在寄生电容,电容中总是存在寄生电感。在进行理论计算时,要么考虑所有这些因素,要么进行一些实际的试验。

使用实例:

试验#1:

最初的调谐似乎很好,但笔者的要求是获得更高的频率范围。再次进行组件计算,这次尝试使点“3”(2480MHz)尽可能靠近史密斯圆图的中心。

计算的值:

  • 并联电容器:1pF
  • 并联电感器:1.5nH

得到的结果是这样的:

回波损耗图VS频率

史密斯圆图

试验#2:

计算的值:

  • 并联电容器:0.5pF
  • 并联电感器:1.5nH

回波损耗图VS频率

史密斯圆图

用调谐天线测试设备

当天线被调谐好时,在真实的生活场景中测试设备。

使用实例:

随着天线的调谐,笔者决定在实际条件下测试它。在调谐之前,天线工作在一个非常短的范围(~10米)。调谐完成后,范围和传输速度都增加了。该设备现在能够从两层楼甚至两层楼之间的混凝土天花板和墙壁之间传输大块数据。在开放区域,能够达到超过90米(295英尺)的直接视线范围,考虑到电池供电设备上的全向天线工作在2 Mbps的空中数据速率上,结果已经相当不错了。

就这么多,一个关于天线调谐的非常基本的介绍。希望您能从本文章学到一些东西。



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