發布日期：2022-04-17 點擊率：92
【導讀】在汽車領域基本上都實現了遙控鑰匙進入、無鑰匙進入，啟動的方式。而這些設計中都會用到UHF模塊的設計，而UHF模塊的設計對整個系統性能來說起著非常重要的作用。本文就為大家詳細講講汽車門禁UHF模塊設計及阻抗匹配。
目前在汽車領域基本上都實現了遙控鑰匙進入、無鑰匙進入，啟動的方式。無論是RKE (Remote Keyless Entry) 還是PKE (Passive Keyless Entry) 系統，都會用到UHF接收模塊。而UHF模塊的設計對整個系統性能來說起著非常重要的作用。
UHF 接收模塊一般由一下幾部分組成：天線，聲表面波濾波器（SAWF，可選），外部低噪聲放大器（Ext. LNA，可選）, UHF接收芯片（UHF Receiver），以及這些元器件之間的阻抗匹配電路。如Fig 1.
對于整個接收模塊來說，在PCB設計好的情況下，硬件上性能的優化，主要就集中在了如何進行各個子模塊之間的阻抗匹配，使得信號在各個模塊之間傳輸時損失最小。這篇文章主要來談一下UHF接收模塊的阻抗匹配的方法。
總體上來說，阻抗匹配有兩種方式：一種是直接匹配，另一種是間接匹配。
所謂直接匹配，就是說把系統前級模塊的輸出阻抗和下級模塊的輸入阻抗，只通過一個匹配網絡，直接進行匹配。 如Fig 2所示。由于匹配的目的是要得到最優的功率傳輸，所以這個匹配又可以叫做功率匹配或者共軛匹配。例如，假設前級模塊的輸出阻抗是Zo=x+jy ohm, 后級模塊的輸入阻抗是Zin=a+jb ohm，通過匹配網絡后，從前級模塊輸出往后級看去阻抗為Zo’=Zo*，即Zo’=x-jy. 這樣前后級就可以說共軛匹配就完成了。
間接匹配，如Fig 3所示。把前級輸出阻抗和后級輸入阻抗，分別匹配到50ohm。這樣前后級就通過50ohm這個“中間人”匹配到了一起，這就是所謂的間接匹配。
對于系統來說，決定是選擇直接匹配還是間接匹配有很多因素要可慮。一般來說，直接匹配優點主要是所需匹配元器件少，損耗自然也會小一點，占用PCB空間小，易于PCB設計；缺點是有時前級的輸出阻抗比較難測量，只能通過查詢相關的規格書來得到，結果有可能會誤差比較大；由于模塊間是任意阻抗的匹配，而一般RF測試設備都是50ohm輸入/輸出阻抗，想測試每個模塊節點間的性能就很不方便。相反，間接匹配需要更多的匹配元件，占用更多的PCB空間；但優點同樣突出，由于模塊間都是匹配到50ohm，每個模塊節點的性能測試起來都比較方便。
本文將以下面的 (Fig 4) 模塊構架為例來介紹如何進行一步一步的匹配。可以看出里面既包含了間接匹配又包含直接匹配。
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2 阻抗匹配的步驟
在實驗室進行阻抗匹配一般需要用到的設備是：網絡分析儀（用于阻抗的測試和匹配），RF 信號發生器（用于匹配后性能的測試和確認），SmithChart仿真軟件，有時還會用到數字型號發生器。在汽車門禁系統，一般用到的頻段是315MHz, 434MHz, 868MHz, 915MHz，我們以434MHz頻段為例來說明整個流程。
本文以下面的 (Fig 4) 模塊構架為例來分部介紹如何進行阻抗匹配。
阻抗匹配的流程一般為：天線模塊的匹配，射頻接收器和SAWF 輸出匹配，SAWF輸入端的匹配。
2.1 天線匹配
由于使用天線總類不同，天線的阻抗也會有很大不同，要么表現為感性阻抗，容性阻抗或者純電阻。假設測出來的天線阻抗是Zant=20+j200，來看一下如何進行匹配。
從Zant到50ohm阻抗轉換有很多種拓撲結構，以最少元器件原則一般L型網絡就可以實現。那具體L型網絡的L&C, C&L, C&C, L&L的分布，可以按照具體要選擇高通濾波型，低通濾波器型，帶通濾波器或者是隔直流型等形式。
通過SmithChart 仿真器仿真 (Fig 5)可以看到，天線通過串聯2.1pF和并聯一個9pF的電容，在Fig 4的A點可以得到ZA=50ohm的阻抗。這種匹配是最經濟的一種方法，只要兩個電容就可以實現。
然而如果既要完成阻抗匹配，又要實現低通濾波效果，則可以采用Fig 6的形式來實現，
以此類推也可以得到具有高通濾波的匹配網絡。
天線的匹配通過這種方法就可以完成了。在A點向天線看過去，經過匹配網絡阻抗轉換就得到了50ohm的阻抗。
通過上述匹配后，天線的性能可以直接在專門的電波暗室里測試。天線的增益，方向性，場分布等性能都是比較重要的參數，對整個系統性能影響也比較大。
需要注意的是，由于模塊外面都有外殼然后放在車內工作，天線的性能受外殼和車內環境影響比較大。在進行天線阻抗匹配的時候一定要注意實際工作的環境，最好是把模塊裝進外殼，放在車內固定位置進行阻抗匹配。如果這樣做實在困難，也可以使用汽車臺架來操作。
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2.2 射頻接收器和SAWF的匹配
在Fig 4中可以看出，SAWF輸出和射頻接收器之間只用到了一個匹配網絡，這就是上面提到的直接匹配。在確定要使用SAWF的系統中，一般只要確認SAWF加上射頻接收器的靈敏度就可以了，因為SAWF的插入損耗一般是已知的。當然，如果確實需要單獨測試射頻接收器的靈敏度，可以在這里再加一個匹配網絡，把SAWF和射頻接收器分別匹配到50ohm，前提是在他們之間有足夠的空間來布置元器件。
下面來討論一下基于Fig 7的阻抗匹配方法。
步驟 1：確認射頻接收器的輸入阻抗。
在射頻接收器的數據手冊里都會標明射頻輸入端的輸入阻抗值或者等效的R//C值是多少。有些讀者會直接用這個值來作為芯片的射頻輸入的值來進行匹配。這里需要說明的是，這個值一般是芯片設計的理想值，具體到不同的PCB板的話普遍有比較大的差異。
正確的做法是，給接收器通電，通過上位機或者芯片內部程序使芯片處于接收狀態，如果內部有低噪聲放大器的話，要使它處于最大增益狀態，同時調整網絡分析儀的輸出功率，使得芯片內部放大電路工作在線性放大狀態，防止其飽和，從而影響結果。一般功率設定在-60dBm以下就可以滿足要求，具體參考芯片的數據手冊。
這里我們假設測得D點的輸入阻抗為Zrx_in=200
步驟 2：查看SAWF的數據手冊，找出輸出阻抗值。
由于SAWF的輸出阻抗很難在實驗室測量，我們暫時假設它的值為數據手冊所示。比如
Zout=60-j150.
步驟3：對芯片輸入和SAWF輸出進行共軛匹配。
窄帶SAWF一般是設計用于功率匹配，即共軛匹配。
這一步主要是用到Smithchart 仿真工具，暫時不需要網絡分析儀。因為SAWF的輸出阻抗難以測量，我們以假設為基礎仿真出所需要的匹配網絡，在后面步驟，我們會來驗證這個假設。
由Fig 8看出，射頻接收器輸入端阻抗，通過并聯2.7pF電容和串聯89nH電感，在C點得到阻抗Zout*=60+j150 ohm，正是SAWF 輸出阻抗Zout的共軛阻抗。
到這里，射頻接收器輸入端和SAWF輸出端的匹配基本完成。接下來的步驟會反過來驗證這一步的結果。
步驟4：SAWF 輸入端匹配
這一步的匹配和步驟3聯系比較緊密。首先，接收器和網分的設置和步驟1相同。
在A點用網分測量輸入阻抗，調整輸入匹配網絡，使得測得的A點的阻抗為50ohm。具體方法在“參考1”中有詳細描述。
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假設在A點測得的阻抗類似Fig 9中所示。可以看到此時阻抗是ZA=43-j9 ohm。我們把網絡分析儀測量格式改成駐波比和Log Mag，確認一下匹配性能，如圖Fig 10, Fig 11。可以看到VSWR=1.39，Log Mag=-17.5dB。一般情況下要求Log Mag<-10dB，所以目前的匹配是很好的。
在Fig 9中我們注意到434MHz附近有一個卷曲的環，這是由于SAWF的原因產生的。可以看到這里的環非常小，而且距離50ohm也非常近，說明步驟3和4的匹配是成功的。
如果結果顯示卷曲的環比較大的話，說明在步驟3中的匹配產生了偏差，需要調整一下匹配網絡元器件的值，直至達到想要的結果。
步驟5：測試驗證從SAWF到芯片的性能
至此，整個匹配工作基本上完成，下面還需要對匹配的結果進行測試驗證。
一般是用射頻信號發生器從A點輸入調制信號，通過降低輸入信號的功率測試芯片的靈敏度。根據芯片廠家規格書上的設定描述和評判標準來測試，然后結果和對應的芯片規格書的靈敏度對比，如果結果很接近，說明匹配是好的，如果結果差別比較大，就需要對匹配的結果進行微調。
如果按照上述步驟來進行匹配，期間不出現明顯的錯誤，最后得到的結果會和芯片廠家的結果非常接近。
步驟6：驗證整個模塊的性能
最后，把天線和后面的所有子模塊都連接起來，按照不同的客戶要求來測量這個模塊的性能。
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