隨著LoRa技術(shù)在業(yè)內(nèi)的持續(xù)發(fā)熱,,加上其獨特優(yōu)越的傳輸性能,運用LoRa技術(shù)的群體正在爆發(fā)式的增長,由于很大部分群體對LoRa等射頻技術(shù)均是初次接觸,在做產(chǎn)品的過程中,,通常會遇到棘手的射頻電路設(shè)計問題,,其實只要掌握幾大要點,,就基本可以發(fā)揮LoRa的最佳性能,。
要點一,、匹配電路設(shè)計
在原理圖設(shè)計時,,需要在天線接頭與模塊的天線引腳之間預(yù)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(yù)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(nèi)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(diào)整。
【圖1】 LoRa模塊應(yīng)用的預(yù)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(nèi)阻的,,這個內(nèi)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,。原因在于大部分的能量已消耗在匹配元件的內(nèi)阻上。
要點二,、微帶線走線規(guī)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,由于模塊內(nèi)部阻抗以及天線阻抗都是以50歐姆標準來設(shè)計,,因此當微帶線特征阻抗也是50歐姆時,,三者得到了最佳匹配。
【圖2】 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(chǎn)廠家提阻抗加工要求,,有能力的PCB廠家能夠根據(jù)板材參數(shù)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(shù)后(主是介電常數(shù))通過軟件自己計算線寬,,從而把阻抗控制在我們期望的范圍,。
【圖3】LoRa學習評估板
根據(jù)經(jīng)驗,,若用FR4的板材(介電常數(shù)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,,特征阻抗比較接近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(jù)阻抗計算軟件計算結(jié)果來設(shè)定,。模塊天線引腳兩側(cè)的地焊盤必須良好接地。
【圖4】 ZM470SX-M評估板微帶線示例
由于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,,走線特征阻抗在25~75歐姆范圍對性能影響不大,這種情況下建議使用25mil線寬即可,。
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(chǎn)品上,產(chǎn)品程序上使用與我們評估板一樣的配置參數(shù),,并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(guān)的無非就發(fā)射功率,、接收靈敏度和天線這三個關(guān)鍵參數(shù),,其中前面兩個參數(shù)在我們模塊出廠家時有測試過的,不合格的產(chǎn)品是當廢品處理掉的,,而天線是因用戶的設(shè)計不同而不同,。影響通信的距離主要就是天線這個參數(shù),其它兩個參數(shù)幾乎不會因用戶的板子不同而發(fā)生較大的變化,。
【圖5】 ZM470SX-M評估板PCB示例
在空氣中,,頻率為470MHz的電磁波波長為63CM,若設(shè)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(yīng)用中,,絕大部分的產(chǎn)品并沒有給天線設(shè)計預(yù)留這么大的空間,,所以普遍采用彈簧天線。使用這種彈簧天線時,,天線接在不同的板子上,,其性能參數(shù)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盡量大并且連續(xù),并依靠密集的過孔來使正反兩面的鋪地連續(xù)也是可行的,。
要點四,、天線安裝規(guī)范
在所有硬件參數(shù)調(diào)整好后,天線的安裝也是關(guān)鍵一步,,天線輻射是有方向性的,,并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?qū)式邮盏奶炀€,,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(yè)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(chǎn)品后,讓其連續(xù)不斷發(fā)送數(shù)據(jù),,并用頻譜分析儀測試離產(chǎn)品一定距離的信號強度,,旋轉(zhuǎn)被測試的產(chǎn)品,并記錄各個方向的信號強度,,從而可以繪制出產(chǎn)品的天線輻射大致方向圖,。
【圖6】輻射方向測試
靠近墻壁、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(jié)果都證明了以下的結(jié)論:
最佳位置: 最差位置: 最佳與最差位置相距λ/4交替出現(xiàn);
RX1優(yōu)于RX2,,例如470MHz時,,離反射面16CM效果遠優(yōu)于32CM。
【圖7】電磁波的反射