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要控制PCB微带线的特性阻抗

人气:宣布工夫:2018-06-26 17:29
择要:随着无线通讯本领的数据速率和传输间隔的不断进步,确定和操持信号完好性题目己越来越症结,这就要求设计职员对大量的、多条件的和多范例的网络停止仿真分析。本文研讨的ZigB...

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  自从马可尼发明无线电以来,无线通讯本领不绝向着不断进步数据速率和传输间隔的倾向生长。而以后被广泛研讨的ZigBee 本领则正是一种为人们提供廉价的、极低冗杂度、低资本和低功耗的低速率无线通讯本领。这种无线本领具有功耗低、数据传输牢靠、网络容量大、兼容性好、安全功能高、资本低和时延短等特点遭到广泛欢迎。

  ZigBee 名字泉源于蜂群运用的赖以生活和生长的通讯办法,蜜蜂经过跳ZigZag 外形的舞蹈来照顾创造的食品源的位置、间隔和倾向等信息,以此作为该本领的称号。ZigBee 过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电本领,现一致称为ZigBee本领。现在ZigBee本领被广泛使用于物联网零碎,如智能家居、煤矿监控、电梯物联网等,ZigBee电路设计的好坏间接影响物联网零碎运转的波动性和牢靠性。

  ZigBee 兼容的产物任务在IEEE802.15.4 的PHY 上,其频段是收费开放的,分离为2.4GHz(举世)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。本文研讨的本领采用的ZigBee产物任务频段为2.4GHz,该频段比传统信号传输速率高出许多倍,因而板卡的设计要求也冗杂很多。采用传统的PCB设计经历是无法满意该射频板的要求,我们须要采用针对射频电路板的新本领--信号完好性仿真本领。

  1微带线阻抗婚配仿真与谋略

  1.1特性阻抗定义

  凑合高速电路来讲,当我们讨论传输线时,不只要思索由于高速信号而引入的新的频率要素,还要思索由于高速信号传输而构成的分歧的电路结构。实际上讲,传输线是由传输信号的信号线,即图中的微带线A,和该信号构成参考回流途径构成的。这种结构,是由传输线上的信号特性决议的,再次夸大,我们讨论的不是导线上直流稳态的静电场分析,我们面对的题目是在高速信号传输历程中瞬时电磁场的交替树立历程。以是,请格外留意,可以为信号线提供回流途径的不只仅是通常意义的地立体,任何可以和信号线之间树立电磁场联络的导体,都可以和信号线之间树立传输线。而我们研讨的东西是一切这些传输线结构中,可以最无效提供回流途径的那对传输线结构。正如下图中所示的那样,凑合高速信号的传输线,其能量的传播是寄予电磁场在传输介质上的交替变卦完成的,那么它的传输途径包括了:微带线本人、回流途径、以及微带线和回流途径之间的介质。以是,凑合一个特定的传输线而言,信号线和回流途径之间构成的是一个双端口网络。而其阻抗,即是构成等效电路的各个要素的综分解果。

基于信号完好性仿真本领2.4G ZigBee模块的设计 物联网天下网

  当明白了如许的信号传输结构之后,就不难明得辨别传输线阻抗和电阻的区别了。当谈到传输线的阻抗时,是相对不克不及用导体A的电阻来替换的,它实质是在该传输介质中某一点上所树立的电场及流经该点的电流之间的干系,所构成的传输介质上的电场。因而谈到传输线的阻抗,读者必定要树立起“两个导体”的结构观念,而不只仅是谁人不言而喻的微带线A。短少了参考回流途径,单一的微带线A是无法树立电场的。

  当信号在传输线上传输时,每向前传输一个最小单位的等效电路,都要在所经过的途径上树立相应的电磁场,而且有必定的电流流经等效电路。这个最小单位的等效电路构成的阻抗,绝对传输线来讲,即是此时现在的瞬时阻抗。假如信号在此传输线上传输时,每个瞬时阻抗都完全分歧,那么就将瞬时阻抗定义为该传输线的特性阻抗。

  1.2微带线观念

  在PCB中,微带线是一种用电介质将导线与接空中隔开的传输线。印制迹线的厚度、宽度和迹线与接空中间介质的厚度,以及电介质的介电常数,决议微带线的特性阻抗的大小。

  微带线的多少结构如图-1所示,导带的宽度W印在薄的接地的介质基片上。

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图-1

  W1和W2:传输线上下里面宽度;

  T1:传输线的铜厚,如一盎司;

  H1:介质的厚度;

  底面铜皮为传输线的参考立体,可为地立体也可以是电源立体。

  根据“IPC-2141”标准,推荐的运用的微带线参数谋略公式如下:公式-1

  微带线特性阻抗谋略公式:

  Z0 ={87/[sqrt(Er+1.41)]}*ln[5.98H/(0.8W+T)] 公式-1

  其中,W为线宽,T为走线的铜皮厚度,H为走线到参考立体的间隔,Er是PCB板材质的介电常数。此公式必需在0.1<(W/H)<2.0,而且1<(Er)<15。

  微带线的宽度W越大,微带线的特性阻抗Z0就越低。类似公式在微带线宽度W远大于介质厚度t时的精度较高,不然就须要加以修正。当W与t相当时,偏差约为百分之几到百分之十几。其中微带线的宽度W远大于介质厚度t也正是以后PCB工艺所能完成的。

  但凑合PCB设计工程师来说,要控制PCB微带线的特性阻抗,假如寄予上述公式谋略非常未方便。在前些年,没有专业的特性阻抗仿真软件,当PCB须要做阻抗婚配时工程师要消耗很多时光来谋略微带线的模子。厥后POLAR SI8000软件的出生给阻抗婚配谋略带来了巨大的便当,现在举世大约有一半以上的PCB厂家都采用该软件谋略PCB传输线的特性阻抗。该软件不只运用复杂,阻抗婚配精度高,软件提供了多种PCB传输线的模子。本文仅引见怎样用SI8000设计ZigBee模块微带线的特性阻。

  因ZigBee射频信号传输线的模子为微带线,而且特性阻抗为50欧姆,根据PCB厂家的实践工艺要求,假如铜的厚度为1盎司,只需经过SI8000软件谋略出该微带线的宽度即可控制该微带线的特性阻抗。

  详细步调:运转SI8000软件,界面如下图-2所示,选择微带线的模子为:Surface Microstrip 1B。第一层到第二层的厚度H1为4.5mil,微带线的上下线宽相差(W1-W2)1mil,上里面线宽设为7mil,则下里面线宽8mil,介电参数为4.2,铜厚为1盎司,谋略出来微带线特性阻抗恰好为51欧姆,满意±10%的偏差要求。

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图-2

  2 射频输入微带线特性阻抗为何要婚配

  在高频信号传输路途,特性阻抗必需一直对峙分歧,一旦传输路途的特性阻抗有渐变,就会因阻抗渐变惹起的信号完好性题目。典范的信号完好性题目即是信号反射、信号过冲,更严峻会惹起振铃。体现出的题目为信号传输波形发作歪曲、信号边沿出现过冲、信号输入功率变小、EMI辐射超标等题目。上面我们经过Hyper Lynx信号完好性仿真软件,引见2.4G射频板阻抗不婚配惹起的几种题目。

  Hyper Lynx仿真软件是PADS公司开辟的一款信号完好性仿真软件,该软件次要用于高速电路设计的仿真与使用。该软件可以仿真信号传输线的特性阻抗、传输线EMI辐射、传输线磁场分布情况、传输线时序等很多题目,该软件为高速电路设计带来了极大的方便。

  自己在设计2.4G ZIGBEE模块时,初版因射频输入线特性阻抗没有谋略好,招致该模块输入功率偏小,EMI辐射超标且模块的接纳敏捷度较低。初版模块如下图-3所示

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图-3

  2.1阻抗不婚配招致射频信号输入功率变小

  应用Hyper Lynx仿真软件谋略图-3模块的射频传输线,特性阻抗值为16.5欧姆,如下图-4,

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图-4

  经过图-4可以得知,该传输线的特性阻抗的实践值和实际值偏离过大,招致射频信号输入时惹起信号完好性题目,最直观的体现即是输入功率偏小。实际值为21DBm,实践值为18DBm,也即是说这根传输线上丧失功率为3DBm。为了验证我们的分析能否准确,经过网络分析仪间接丈量PCB板的射频传输线的消耗值。经丈量,该值为2.95DBm,恰好符合分析效果。

  2.2阻抗不婚配招致射频板接纳敏捷度高涨

  我们再对该板卡做接纳敏捷度丈量,经丈量,该板卡接纳敏捷度,比市场上其他公司设计的模块的接纳敏捷度低。该模块采用的运放的接纳敏捷度值为-115DBm,而实践丈量上去只要-107DBm。开端分析,能够是因传输线的阻抗不持续、阻抗渐变惹起的信号波形失真,终极招致接纳敏捷度高涨。只需经过支持2.4GHz的示波器看一下该板子的实践输入波形即可,假如信号有失真,则分析的效果就没有题目。但是,现在很少能找到速率超过1GHz的示波器,要找到2.4GHz的示波器就更难了。不外虽然2.4GHz的示波器实物不好找,我们可以经过仿真软件来验证该题目。

  Hyper Lynx仿真软件有个高速示波器仿真功用,经过该软件,可以对该传输线在2.4G频段的信号停止波形仿真,效果如图-5所示,红线为实际输入波形,绿线为实践输入波形,不难创造该波形有分明的震荡,和我们预期的分析效果相符合。

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图-5

  2.3阻抗不婚配招致射频板EMI辐射超标

  异样,对该板子做EMI辐射测试,创造该板子的EMI辐射在2.4GHz到5GHz的范畴超过CE规范。经过Hyper Lynx仿真软件的假造频谱分析仪仿真效果如下图-6所示。

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图-6

  图中黄色凹陷代表EMI辐射在分歧频段的重量,很分明EMI辐射从2.4G开端不绝到10GHz都很强。

  综上所述,因特别阻抗不婚配,招致初版2.4GHz射频板存在以下三个题目:

  1、输入功率小;

  2、接纳敏捷度低;

  3、EMI辐射凌驾CE规范。

  重新谋略好传输线特性阻抗,改版后的特性阻抗如下图-7所示,特性阻抗值为50.8欧姆。

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图-7

  板子传输线的波形仿真如下图-8所示,实践输入波形简直和实际波形相反。

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图-8

  再对板子停止EMI辐射仿真,效果如图-9所示,新板子在10GHz范畴内EMI辐射简直看不到。

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图-9

  经过丈量,改版后的射频板的输入功率大于20DBm,接纳敏捷度也比之前板子的高,EMI辐射也满意各种规范的要求。

  3 微带线特性阻抗为何要满意50欧姆

  ZigBee射频PA输入的特性阻抗为50欧姆,天线的特性阻抗也为50欧姆,此时只要传输线的特性阻抗为50欧姆时,信号输入功率最大,而且发生的信号完好性题目也最少。

  4 完毕语

  众所周知,ZigBee无线射频本领被广泛使用于物联网零碎中,但2.4G ZigBee射频板设计难度绝对要高,须要留意的题目也比较多,因而在必定程度下限制了该本领的使用范畴。假如在设计的历程中可以掌握一些好的仿真工具,如许可以进步设计的服从,高涨设计危害,从而增加产物的开辟周期,终极到达增加开辟用度的目标。Hyper Lynx仿真软件的推出给高速电路设计带来了很大的便当,经过该软件可以延长产物的开辟周期,可以在PCB设计就能得知电路板存在的许多EMC题目,提早防备产物存在的危害。

标签:ZigBee,信号仿真,物联网

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