四個要點,幫你搞定LoRa天線匹配電路

2020-12-08 EDN電子設計技術

LoRa 是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司採用和推廣的一種基於擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關於傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，進而擴展傳感網絡。P0Vednc


LoRa技術與其他無線技術對比P0Vednc

目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。P0Vednc

LoRa技術具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、低成本的特性。P0Vednc

LoRa 網絡主要由終端（可內置 LoRa 模塊）、網關（或稱基站）、Server 和雲四部分組成。應用數據可雙向傳輸。P0Vednc

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隨著LoRa技術在業內的持續發熱，加上其獨特優越的傳輸性能，運用LoRa技術的群體正在爆發式的增長，由於很大部分群體對LoRa等射頻技術均是初次接觸，在做產品的過程中，通常會遇到棘手的射頻電路設計問題，其實只要掌握幾大要點，就基本可以發揮LoRa的最佳性能。P0Vednc

要點一、匹配電路設計

　　
在原理圖設計時，需要在天線接頭與模塊的天線引腳之間預留一個π型匹配電路。天線的阻抗是受到電路板的鋪地、外殼和安裝角度等因素影響的，預留這個π型匹配電路是為了當天線嚴重偏離50歐姆時，將其糾正到50歐姆。
　　
默認情況下，天線阻抗是比較接近50歐姆的，在下圖中的C17和C18不用焊接;而L2用220pF電容，或者1nH電感，再或者0歐電阻，三者均可。遇到特殊的情況時，比如天線安裝模具內部、天線的體積很小或需要加強高次諧波抑制等，這三個匹配元件才需要進行匹配調整。P0Vednc


圖：LoRa模塊應用的預留匹配電路
　
理論上，無論天線阻抗在任何值，都可以通過π型匹配電路將其匹配到50歐姆。然而實際上電感電容都是有內阻的，這個內阻會吸收能量，若天線阻抗太小(幾歐姆)或大(上千歐姆)的話，通過匹配電路將其匹配到50歐姆去就失去了意義。原因在於大部分的能量已消耗在匹配元件的內阻上。
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要點二、微帶線走線規則

　　
此處所說的微帶線指的是LoRa模塊的天線引腳到天線接頭之間的PCB走線。下圖是LoRa模塊ZM470SX-M評估板上的微帶線示例，由於模塊內部阻抗以及天線阻抗都是以50歐姆標準來設計，因此當微帶線特徵阻抗也是50歐姆時，三者得到了最佳匹配。P0Vednc


圖：LoRa模塊郵票孔式天線接口
　
為得到50歐姆左右的微帶線，一方面可以向PCB生產廠家提阻抗加工要求，有能力的PCB廠家能夠根據板材參數通過線線寬來控制走線阻抗;另一方面可以從PCB廠家獲取板材參數後(主是介電常數)通過軟體自己計算線寬，從而把阻抗控制在我們期望的範圍。P0Vednc


圖：LoRa學習評估板P0Vednc

根據經驗，若用FR4的板材(介電常數在4.2~4.6之間)，當線寬為微帶線到參考層距離的2.2倍時，特徵阻抗比較接近50歐姆。例如用雙面板的情形，板厚為0.8mm時，可取線寬為1.7mm。但必須注意，微帶線下面的鋪地必須是完整的，微帶線與鋪銅間距根據阻抗計算軟體計算結果來設定。模塊天線引腳兩側的地焊盤必須良好接地。P0Vednc


圖：ZM470SX-M評估板微帶線示例P0Vednc

由於470MHz電磁波的波長較長，如果這段微帶線走線長度不超過20mm時，走線特徵阻抗在25~75歐姆範圍對性能影響不大，這種情況下建議使用25mil線寬即可。
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要點三、PCB鋪地要求

　　
我們遇到過很多這樣的情況：用戶將我們的模塊用到產品上，產品程序上使用與我們評估板一樣的配置參數，並使用我們評估板上的天線，通信效果卻明顯比我們的評估板差很多。與通信距離相關的無非就發射功率、接收靈敏度和天線這三個關鍵參數，其中前面兩個參數在我們模塊出廠家時有測試過的，不合格的產品是當廢品處理掉的，而天線是因用戶的設計不同而不同。影響通信的距離主要就是天線這個參數，其它兩個參數幾乎不會因用戶的板子不同而發生較大的變化。P0Vednc


圖：ZM470SX-M評估板PCB示例P0Vednc

在空氣中，頻率為470MHz的電磁波波長為63CM，若設計一款標準的半波偶極子天線，則這款天線至少為半個波長，即31.5CM。實際應用中，絕大部分的產品並沒有給天線設計預留這麼大的空間，所以普遍採用彈簧天線。使用這種彈簧天線時，天線接在不同的板子上，其性能參數是不一樣的。這是因為這種類型的天線，彈簧只是整個天線的一部分，另一部分是電路板上的地，故在電路鋪地的時候就得有講究了，總原則就是：一是要盡可以使天線垂直電路板安裝，二是要使鋪地的銅塊儘量大並且連續，並依靠密集的過孔來使正反兩面的鋪地連續也是可行的。
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要點四、天線安裝規範

在所有硬體參數調整好後，天線的安裝也是關鍵一步，天線輻射是有方向性的，並不是每個方向輻射相等的能量，如同我們講話一樣，有的方向聽到的聲音強，有的方向弱。安裝天線的時候，需要將天線輻射最強的方向對準接收的天線，接收天線才可能獲得最強的接收信號，要做到這一點，必須先知道天線的輻射方向才行。
　　
在沒有暗室等專業天線測試實驗室的情況下，那如何測試天線的輻射方向呢?我們可以在最終確定產品後，讓其連續不斷發送數據，並用頻譜分析儀測試離產品一定距離的信號強度，旋轉被測試的產品，並記錄各個方向的信號強度，從而可以繪製出產品的天線輻射大致方向圖。P0Vednc


圖：輻射方向測試P0Vednc

靠近牆壁、門和金屬面等反射面安裝時，需要注意反射帶來的影響，理論和測試結果都證明了以下的結論：
　　
最佳位置： P0Vednc

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最差位置：P0Vednc

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最佳與最差位置相距λ/4交替出現;P0Vednc

RX1優於RX2，例如470MHz時，離反射面16CM效果遠優於32CM。P0Vednc


圖：電磁波的反射P0Vednc

（來源：ZLG致遠電子）P0Vednc

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