天线匹配电路.docx
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天线匹配电路
天线匹配电路
TuneMatching的方法有許多,有利用單獨供電給PA,直接在Active情況下TuneMatching的方式[1],但是這方法要有兩個條件:
1.能够正常通话
2.能进入非信令模式
然而TuneMatching的工作,多半都是在第一版PCB就要完成（因為第二版PCB就要直接送認證）,但是依個人經驗,通常第一版PCB,軟體可能尚未Ready,正常通話?
进入非信令模式?
再等等唄。
因此個人較偏好利用Passive方式TuneMatching,你只要有板子就能進行,不必等到軟體Ready。
由於GSM?
?
WCDMA是手機的核心,故個人以這兩個功能的Tx/RxMatching來做說明。
基本原理:
最理想情況,當然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆,傳輸線的阻抗為50歐姆,Load端的輸入阻抗也是50歐姆,一路50歐姆下去,這是最理想的。
但是,板廠的製程,在Trace的線寬,以及對地間距,一定會有誤差,這導致Trace的阻抗,未必是50歐姆,所以要靠Matching把阻抗Tune到50歐姆。
所以通常就算對於阻抗控制再有信心,也會留Dummypad,以備不時之需。
Matching步驟:
先把落地元件拔掉,串聯元件用0歐姆電阻,目的是要知道PCBTrace最原始的阻抗為多少,接下來才能利用SmithChart?
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Matching元件,把阻抗Tune到50歐姆。
Q.我可以直接用焊錫Short,來代替0歐姆電阻嗎?
這樣比較省事。
答案是不行,因為雖然以電路觀點,都是Short,但是以高頻觀點,利用焊錫這種Distributed方式,會有寄生效應,連帶使得你量出來的阻抗會不準。
零件換好後,先把網路分析儀做校正,再將銅管作Portextension,如此便可開始量阻抗。
我們發現PCBTrace最原始的負載阻抗為（40.6-13j）歐姆,接下來就是利用SmithChart,將負載阻抗Tune到50歐姆。
也就是要把負載阻抗,依序透過Z1,Z2,Z3,把阻抗由（40.6-13j）歐姆,Tune成50歐姆。
首先要把阻抗,弄到通過50歐姆的Z-plane/Y-Plane圓周上,也就是下圖兩個藍色圈圈的圓周上,
而下圖是串電感、串電容、並電感、並電容的軌跡。
因為Z1是落地元件,所以透過並聯方式,將阻抗弄到通過50歐姆的Z-plane/Y-Plane圓周上。
但是我們發現,不管是並電感,
或是並電容,
其阻抗都跑不到我們要的圓周上,因此Z1就直接Dummy。
依此類推,若往後遇到T型Matching,Z1為串聯元件,但串電容?
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串電感都跑不到我們要的圓周上時,這時Z1就放0歐姆。
而Z2是串聯元件,利用串9.8nH的電感,將阻抗弄到了我們要的圓周上,此時阻抗為（40.4+19.3j）歐姆。
最後Z3又是落地元件,因此並一個3.1pF的電容,使阻抗跑到（49.7+0j）歐姆。
因此我們利用串9.8nH,並3.1pF的組合,將負載阻抗由原始的（40.6-13j）歐姆,Tune成了49.7歐姆。
Q.如果我阻抗控制作的相當好,不需任何Matching元件就有50歐姆,我可以在下一版PCB拿掉這些Matching元件嗎?
答案當然是可以,好處有三:
1.減少零件,便可CostDown
2.減少零件,降低SMTissue的風險
3.減少零件,降低InsertionLoss
第3點對於GPS尤其重要,我們由NoiseFigure的公式:
發現GPSLNA前的NoiseFigure,幾乎決定了整體電路的NoiseFigure。
換句話說,若LNA前的NoiseFigure不好,那麼C/N值?
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Sensitivity,注定不會好,因此要想辦法將LNA前的Loss降到最低。
而Loss來源有二:
1.MismatchLoss
2.InsertionLoss
若阻抗控制得相當好,等同於幾乎沒有MismatchLoss,若能將這些Passive的Matching元件拿掉,便可更進一步降低InsertionLoss。
即便是0歐姆電阻,仍有些微的InsertionLoss,更何況GPS接收的是-150dBm極微弱的訊號,些微的InsertionLoss,對於C/N值?
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Sensitivity,已有相當的影響。
因此若阻抗控制作的相當好,建議下一版PCB就直接用Microstrip連過去。
Matching原則:
至於Matching的原則,一般而言有五項:
1.電感/電容值,不要過小
2.落地電容值,不要過大
3.電感/電容值,不要過於冷門
4.盡可能設計成LowPassFilter
5.整個頻帶的阻抗軌跡盡可能收斂
電感/電容值之所以不要過小,原因是要維持Matching的穩定性,因為電感/電容值會有誤差,以電容為例子,差不多會有正負0.1pF的誤差,如果是一個容值為0.3pF的電容,則誤差高達33%,其容值範圍為0.2pF~0.4pF,這可能會導致每片PCB的Tx/RxPerformance不一致,進而影響工廠量產時的良率。
落地電容值之所以不要過大,是因為依照容抗公式:
電容值越大,容抗越小,因此落地電容值過大,則反而可能會讓訊號都流到GND。
電感/電容值,不要過於冷門,原因是方便備料,因為若是常見的值,則所有廠家都會有,量產過程中,若FirstSource的廠家缺料,還可馬上找SecondSource的廠家。
至於盡可能設計成LowPassFilter,原因是這樣可以抑制諧波。
而LowPassFilter的組合如下:
第五項是最重要的原則,上述步驟,是以單一頻率點來做Matching,但最後要看整個頻率範圍內的SmithChart軌跡,才能決定該Matching值可否採用。
以DCSband為例,Tx頻率範圍為1710MHz~1785MHz,因此作TxMatching時,盡可能希望1710MHz~1785MHz的阻抗,都能收斂在50歐姆附近。
而不要像下圖一樣,Low/Mid/HighChannel的阻抗,都不相同。
因為以LoadPull的觀點,不同的阻抗點,會導致不同的輸出功率。
阻抗相差越多,則輸出功率也相差越多,造成輸出功率不平坦。
而以RxMatching觀點而言,阻抗離50歐姆越遠,則MismatchLoss越大,即Sensitivity越差,因此若無法Low/Mid/HighChannel的阻抗,都收斂在50歐姆附近,則會導致Sensitivity不平坦。
所以TuneMatching時,可以先以MidChannel的頻率點,作單一頻率點的Matching,因為Low/HighChannel,並不是每個測項都會測,但MidChannel每個測項都會測,所以要先確保MidChannel的阻抗有到50歐姆,再使Low/HighChannel的阻抗,也收斂到50歐姆附近。
雖然Matching的組合,有L型、T型、π型,但T型/π型的阻抗收斂效果,會比L型來得好,因此若Low/HighChannel的阻抗,離50歐姆較遠,便可利用T型/π型的Matching,把Low/HighChannel的阻抗Tune到50歐姆。
Q.但以上?
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例子而言,一開始的Z1是落地元件,並不能幫我把原始負載阻抗Tune到50歐姆,因此若硬要用π型,可能50歐姆Matching的效果還不如L型來得好。
這問題分兩個層?
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探討,
首先,雖說T型/π型的阻抗收斂效果,比L型來得好,但不是說非用不可。
如果用L型,其Low/HighChannel的阻抗,已收斂到50歐姆附近,那當然沒必要多增加一顆元件去做T型/π型。
更甚至如果Low/HighChannel的原始負載阻抗已經很收斂,第二版PCB當然就如之前所說,直接Microstrip連過去,更沒必要硬用T型/π型。
其次,如果L型在MidChannel的50歐姆Matching效果比π型好,但Low/HighChannel的阻抗卻不收斂,要如何在保有L型的Matching效果同時,還能進一步讓Low/HighChannel的阻抗收斂呢?
先介绍四个简单的电感/电容只串/并联公式：
接著利用上述四個公式,將L型拆成T型/π型。
在此注意電感不管是串聯還是並聯,都不要離太近,否則會因為互感,而使計算結果變得更將複雜,且不如預期。
因此若要將
拆成π型,則會變成:
上述講到零件值不要太冷門,因為3.1pF是個很冷門的值,故真正採用時,會用3pF,因此拆成π型,就變成兩個1.5pF。
那要如何判斷零件值冷不冷門呢,簡單的判斷準則是找沒名氣的二線小廠商,?
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他們要SampleKit,SampleKit裡?
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有出現的值,多半不會太冷門,可以不用擔心備不到料的問題。
接下來,我們以Block的觀點,探討GSM/WCDMA的Tx/RxMatching。
GSMTxMatching
一開始板子會有這些零件,
然後,把ASM?
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GSMPA拔掉。
Step1.把Connector?
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ASM間的S11?
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S22都盡量Tune成50Ohm
因為這段是影響GSM/WCDMA所有Tx?
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Rx,所以一旦有50Ohm,就直接Fix住,之後Tune其它Band或是Rx,都不要動這段。
Q.為啥Connector不用ReferencePlane?
Ans:
原因是當Connector端接上RFCable時,其Connector與後?
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天線彈片間是Open的,此即為最佳的ReferencePlane。
Step2.再把ASM?
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GSMPA間的S11?
?
S22都盡量Tune成50Ohm
Step3.拿另一塊板子,GSMPA?
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ASM都有Mount上去的,把PA拔掉,再把之前Tune的新Matching值換上去,並量測GSMPA到Connector的S21,這樣對於PAchipout到Connector會有多少Loss,至少有個底。
WCDMATxMatching
一開始板子會有這些零件
因為在GSM階段,ASM到Connector已經Tune到50Ohm,所以我們就Fix住,不再去動它
然後把WCDMAPA?
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ASM拔掉
Step1.把ASM?
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WCDMA間的S11以及S22,盡量Tune成50Ohm
Step2.拿另一塊板子,所有零件都有Mount的,把WCDMAPA拔掉,並換上新的Matching值,然後量WCDMAPA到Connector的S21,這樣對於WCDMAPAChipoutput到Connector有多少Loss,至少有個底。
Q.為啥不是ASM到Duplexer,以及Duplexer到PA分兩段作Matching?
Ans:
當然如果嚴謹一點,是必須這樣做。
不過因為Duplexer本身也是Passive元件,同樣也是不必等軟體Ready,有板子就能做Matching,因此為節省時間,就直接ASM到WCDMA做一次Matching即可。
除非是發現MatchingTune不太動,因為Duplexer的input&output各有三顆元件,一共六顆元件,變數太多,這時就可以分段做Matching,把變數先縮減為三個,以加速Matching進度。
Q.每個頻率點的Loadpull都不同,為啥卻一律都Matching50歐姆?
Ans:
因為方便省事。
確實,對某些頻率點而言,50歐姆的輸出功率未必最大,耗電流未必最小,諧波也未必最小。
但是,仔細觀察Loadpull會發現,50歐姆的輸出功率、耗電流、諧波,通常也不會差到哪裡去,就算不是最佳,也不至於差到無法接受。
除非是要對某個特性做最佳化,好比InsertionLoss太高（因為Trace線寬太細）,希望有最大輸出功率。
或是客戶對於通話時間很要求,希望有最小耗電流。
又或者是Harmonics的PerformanceFail,希望有最小諧波。
這時就必須專程把LoadPullTune到特定的阻抗值。
Q.為啥PAinput不做Matching?
Ans:
也是為了方便省事。
因為PA的LoadPull,理論上是由PA的輸出阻抗決定,?
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PA的輸入阻抗沒有關聯,就算有影響,其影響程度也是很小,遠小於PA的輸出阻抗,除非在Layout上,PA的input?
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output靠太近,相互耦合,那麼input就會影響輸出阻抗,而能量大的output,也會干擾能量小的input。
再者,以TQM6M4068這顆PA為例[2],其PAinput範圍為0dBm~6dBm,因此即便PAinput不做Matching,有MismatchLoss,但只要該Loss不至於讓PAinput連低標0dBm都沒有,那麼就不至於會有太大issue。
Q.可是當PAMount上去,且處於Active狀態時,PAoutput看出去的Loadpull還會是50歐姆嗎?
會不會Passive時的Loadpull,?
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真正Active時差很多?
Ans:
坦白說,小弟並未比較過Passive與Active的Loadpull比較,所以不知是否會差很多,但是依小弟經驗,如果Passive有Tune好,Active時的Performance不至於差到哪去,就算有Fail,也不太會是Matching因素。
況且,如果最後發現,該Fail真的與Matching有關,那麼再Fine-tune一下電感電容值即可（這時就直接硬Tune了,小弟只有在Passive時會看阻抗SmithChart,當軟體Ready,可以Active時,就直接只看Pretest結果,Pass就Fix住,Fail就再繼續硬Tune）。
GSMRxMatching
一開始板子會有這些零件
前?
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說過了,ASM到Connector的Matching已Fix住就不再動,故直接由ASM到Balun開始。
然後把Balun?
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ASM拔掉,
Tune到50歐姆即大功告成。
WCDMARxMatching
一開始板子會有這些零件
然後把Duplexer?
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ASM拔掉,
Tune到50歐姆即大功告成。
Q.Balun/Duplexer到Transceiver這段不用Tune嗎?
Ans:
當然要,因為這邊的Matching離Transceiver最近,對於Sensitivity有很大影響。
但是Balun/Duplexer到Transceiver這段,多半都是走Differential,
因此若要TuneMatching,不能像之前Single-end一樣,要先知道如何用VNA看Differential阻抗[3],然後再TuneMatching。
過程比Single-end來得複雜,依個人經驗,小弟在完成ASM到Balun/Duplexer的PassiveMatching後,接著等軟體Ready,便直接硬Tune後端Differential的Matching,直接只看Sensitivity,若有達成目標,就Fix住,若沒有就繼續硬Tune。
Reference
[1]优化RF3166PA效率之实例分析
[2]TQM6M4068AdvanceDataSheet
[3]OrdinaryVectorNetworkAnalyzersGetDifferentialPortMeasurementCapability
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