【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

时间： 2017-06-30 来源：技术大神活动文章

技术问答

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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