【技术大神】关于网络分析仪分析和优化射频电路阻抗的小结
在射频电路中,除了PCB layout和元件布局,电路阻抗的匹配程度也决定了射频的性能好坏。比如调试中可能发现LTE/WCDMA最大功率工作时,消耗电流比较大,ACLR fail,我们可能需要考虑通过调整PA的负载阻抗匹配,将功率增益、ACLR和消耗电流三者牵引到smith圆图的最佳位置上,以保持三者的平衡;还如,Wi-Fi的EVM性能比较差时,也可能是电路中的阻抗匹配需要调整和优化。
对射频电路的特性阻抗进行分析和调试,离不开网络分析仪,不管是射频研发部门,还是射频测试部门,天线厂商,OTA实验室,网络分析仪都是必不可少的设备。据观察,KEYSIGHT(原Agilent)的网络分析仪使用普及率非常高。比如,Keysight的E5063A,工作频率可从100KHz至18GHz,能满足2G/3G/LTE/Wi-Fi 2.4G/5G/BT的阻抗匹配调试使用;其最大的亮点是其很好地解决了生产PCB过程中阻抗分析测试的难题,提供了生产易用的界面和精准的测量。当然,网络分析仪除了阻抗分析和调试的使用,还可测试并换算出其他几十种网络参数,如输入反射系数、输出反射系数、电压驻波比、衰减(或增益)、隔离度和定向度等。
下面是实际项目中使用Keysight网络分析仪E5063A,进行特性阻抗分析和优化的一些经验小结。
网分的校准
在进行阻抗匹配调试前,需要对连接了RF cable和RF launch(俗称pig tail, 猪尾巴)的网分进行校准。校准步骤如下:
1)校准前的网分设置:
• 网络分析仪App打开,按键PRESET->OK对网分进行复位;
• 以WCDMA Band 1校准为例,按键Start和Stop分别设置校准的起始频点1920MHz和1980MHz;Maker高中低3个频率点,按键Maker->Maker1=1925MHz,Maker2=1950MHz,Maker3=1975MHz,可根据需要标记更多的频率点,Keysight可以最多标记9个点;
• 按键Display->Num of Traces设置为2,设置出两个trace;
• 选择Trace 1,按Trace Prev显示光标指在Tr1上,按Format->Smith->R+jX,按Measurement ->S11;
• 选择Trace 2,按Trace Prev显示光标指在Tr2上,按Format->Smith->R+jX,按Measurement ->S22。
2)校准连接图:
3)校准步骤:
• 按Cal->Calibrate->2 Port Cal,可以看到界面中有Reflection、Transmission和Isolation三个选项;
• Reflection的校准
• Transmission的校准
• Isolation的校准
保持两个端口尽量远离,按Isolation(Optional)进行校准。
• 校准数据保存
返回到2 Port Cal的界面,按下Done暂时保存校准的数据。
• pig tail和short RF cable线损的校准。连接pig tail and short RF cable如下图:
• 校准后,Cal->Port Extensions(ON)->Extension Port 1->Loss看到校准的Loss值
• 保存校准数据
按键Save/Recall->Save State->File Dialog保存*.STA校准文件,方便后续使用。(Recall是调出校准文件)
备注:如果需要同时调整多个band的阻抗,一个Band校准后,可同时进行其他band的校准,并保存校准文件,以便后面调试时直接Recall调出参数,而不用后续取下焊接在PCB上的pig tail校准。
阻抗匹配优化过程
以WCDMA Band1 PA负载阻抗调整为例。
1)Band 1 Tx原理图
2)原理图简易示意图:方便理解和查看
如图所示,通常拿掉PA,pig tail焊接在PA RFOUT pin处,并接网分port 1设置S11;short RF cable连接到测试点上,并接网分Port2设置为S22。
3)PCB焊接example:
4)Band 1 电路切换:
接网分查看史密斯图时,需要用平台工具控制PCB保持WCDMA Band I非信令持续发射,以便双工器的开关切换到Band I的链路上,以确保调试正确。例如,Intel 平台使用的是Phone Tool, Qualcomm平台使用的是QRCT。
5)调试过程中的记录方式和记录值
6)调试小结
a. 一般先调整阻抗smith图的大小,然后调节位置移动。
b. Smith图大小可调节Duplexer和SW之间的匹配网络,Smith图的位置调节PA与Duplexer之间的匹配网络。
c. 调试Smith图大小时,以最靠近Duplexer并联位置为主,以调往后串联位置为辅。因为最靠近Duplexer并联位置对Smith图大小影响非常大,而往后串联位置电容的容值对Smith图大小影响不大。
d. 在调试过程中可不将元件焊接上去,使用塑料笔芯将元件按在焊盘上,在保证接触良好的情况下保存Smith图。这样可节省很多调试的时间,也可以防止板子因焊接次数过多而损坏。该方式我们验证过,基本可行。我们用的水笔的笔芯削尖后使用。
e. 在原有匹配下Smith图偏离位置较大并且收敛较差的情况下,首先将匹配网络中所有并联元件去掉,所有串联元件换为0om或者100pF电阻,再逐个位置进行调试。
f. 调试过程中一般先调节最靠近Duplexer和PA位置的并联电容或者电感,再调节串联位置电容或者电感,按顺序调试不能盲调。
g. 当Smith图位置或者收敛较好,只需在原有匹配值基础上进行微调便可以很快得到理想的匹配,这样可以加快调节速度。
h. 一般有效匹配电容容值在10pF之内,有效匹配电感感值在10nH之内,可以参考二分法进行调试。
i. 我们要的PA负载阻抗的最佳匹配位置,并非50om原点位置,而是最大增益、最小电流和最小ACLR1、ACLR2的平衡点,如下图显示,一般图中A点是我们想要的PA负载阻抗的平衡位置。
备注:以上小结,仅供参考。
7)阻抗调试后的数据对比
• 调试后,PA最大功率发射时,消耗电流大概减少300mA左右。
• Smith图对比example
• ACLR对比example
总结
同样的思路可进行其他WCDMA band的调试,直到所有的测试能完成3GPP要求。
以上可看出,网络分析仪可以帮助我们分析和解决射频电路中的阻抗匹配问题。除了以上WCDMA的Tx 特性阻抗分析例子,我们实际项目中,包括消费电子终端产品和车载产品,用它解决了很多射频的阻抗匹配分析和优化,如TD-SCDMA,Tx/Rx,LTE Tx/Rx,WiFi 2.4G Tx/Rx和WiFi 5G Tx/Rx等等,加上友好的界面和精准度,其已是我们射频研发,测试和生产工作中必不可少的工具了。
以上有任何问题和不妥之处,请大神们指正和不吝赐教,谢谢!
作者:Ezer
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