一、前言
Class E 高端 L-Front 匹配集成了额外的滤波器,提供了足够的谐波衰减,使 NCF29A1 与天线在比基频更高的频率下具有相当大的增益。向 PA 提供的阻抗和输出电容与表 1 ZPAOUT 所示相同。
二、原理图
图 1 高端 L-Front 匹配原理图
1)从基本的 L-Front 匹配派生,集成了一个附加的低通滤波器与 H2 陷波。
2)C2 和 L3 形成一个串联谐振电路,该电路被调谐到二次谐波。电路是并联的,用作陷波来衰减二次谐波中的功率。
3)L2 和 C3 作为独立的串联谐振电路,在低次谐波中降低功率。
4)扼流圈电感 L4 提供 PA 电源电压,并连接到串联电容 C3 前面的匹配网络。
三、匹配网络
高端的 L-Front 匹配允许比基本匹配更灵活地调整匹配阻抗 ZPAOUT。它使用较小的线圈值来降低线圈类型对良好的高谐波衰减的要求。它主要提供 H2 和 H3 有更好的衰减。这些优点使高端匹配成为使用非 PCB 天线或线圈类型限制或元件值范围有限的应用的更好选择。
匹配网络由多个谐振电路组成,主要是为了减小基频的相位延迟。下面将根据理想条件下该频率处的阻抗来解释匹配网络。
1)如图 2 所示,匹配网络和阻抗,忽略 PCB 对 Cb_EXT 的其他影响:
图 2
2)如图 3 所示,在基频条件下:
① 由于 LChoke & CNH2 共振,C4 接地电容容值一般为 100pF,容值较大,高频信号会通过它流入地平面,C4 相当于给高频信号提供一个短路。
② H2 陷波在基频处的阻抗由 C2 控制。如果选择 C2 和 L3 在 H2 处共振:CNH2 = 4/3 * C2。
图 3
3)由图 3 所示,CNH2 可以选择与扼流圈电感共振。这要求 C2 小于 2pF,以便为 L4 提供足够高的值。由于共振,LChoke 和 CNH2 在基频上是不可见的,如图 4 所示。
图 4
4)选择由 C3 和 L2 组成的串联网络在基频上谐振。通过这个 Z1 将几乎相同的 50Ohm 提供的天线。
图 5
在实际应用中,PCB 和网络元件的影响是不可避免的。通过使用网络分析仪监测阻抗,仍然可以选择使阻抗 Z1 和 Z2 几乎符合理想条件的元件。
Z1 在实际中需要一定的容差,应该在 40 到 60 欧姆的范围内,只有很小的电抗。
四、匹配过程
下图 6 显示了在基频 434MHz 下使用典型值模拟的网络的不同阻抗。
由于 CNH2(CNH2 = 4/3 * C2)和 LCHOKE 的共振,阻抗 TP3 等于 TP5 (Z2)。TP6,即阻抗 Z1,接近天线输入阻抗 50Ohm,最终 ZPAOUT 调整到(50+j115)Ohm。
图 6 射频匹配仿真实例,用于 434MHz 和 10dBm 输出功率
高端匹配步骤:
1)准备
① 使用 PCB 安装所有组件,如按钮,LED 和 LF 线圈天线。
② NCF29A1 / NCF29A2 和 RF 匹配元件不贴。
2)默认条件的设置
① 将天线与 PA 匹配电路断开,并以 50Ohm 电阻终止,使 C3 的远端焊盘(Port 1)显示阻抗为 50Ohm。
② 测量 PCB 杂散电容 Cb_EXT 的值,如图 7 所示,网络分析仪探头 GND 连接到 PCB NCF29A1 的外露模垫,探头测试点连接到 PAOUT 引脚上。预期电容值范围为 200fF ~ 400fF。
图 7 测量 PCB 提供的输出电容
3)贴上 C3, 由于 L2 和 C3 在基频上谐振,L2的自谐振频率应在三次谐波频率以上,以衰减低次谐波,相应地,根据实际使用的线圈,C3 不应选择太小,下面是不同基频下 C3 的取值:
- 315MHz:7pF
- 434MHz:7pF
- 868MHz:5pF
- 950MHz:2pF
根据对应基频选取 C3 容值。
4)设置 H2 陷波和 L4
① 贴上 C4,推荐容值 100pF。
② 在 1 ~ 2.2pF 之间选择 C2 容值:
- 315MHz:8pF ~ 2.2pF
- 434MHz:5pF ~ 1.8pF
- 868MHz 及以上:0pF 及以下
③ 计算 L3 在 2 次谐波频率下与 C2 共振的值:
L = 1/(C*(2pf)2)
由于 PCB 布局和元器件频率依赖关系的影响,需要实现的 L3 值通常比计算值小 1 ~ 2nH。
④ 用上述公式计算在基频下与 4/3*C2+0.5pF 谐振的 L4 值,并贴上 L4 电感。
⑤ 根据 ② ③ 的选取和计算,贴上 L3、C2 对应元件值。
5)设置 L2
① 由于 L2 & C3 在基频上共振,可根据公式 L = 1/(C*(2pf)2) 和 C3 容值,计算 L2 的感值。
② 如果 PA 阻抗 ZPAOUT 要求的启动阻抗 Z1 与 50Ohm 略有不同,则 L2 应该稍高或稍低。
③ 测量基频 C1 处的阻抗 Z1(如图 5),它应该在 40 到 60 欧姆的范围内,只有小的电抗。
6)调整 ZPAOUT
① 放置 L1 和 C1 使阻抗 ZPAOUT ≈ 50Ω。
② ZPAOUT 最好在图 7 所示的同一点测量。
③ 阻抗 Z1 需要如步骤 5 中所述,保持在 40 到 60 欧姆的范围内。
④ 确保 ZPAOUT 要尽可能准确,公差将导致电源电流的增加。
⑤ 为了更好地阻抗匹配,必要时可以改变阻抗 Z1。
7)测试 PA 性能
① 贴上 NCF29A1。此外,还可以使用第二块 PCB,所有组件均已安装,包括 NCF29A1 以及在上面步骤中找到和定义的匹配元件值。
② 拆除步骤 2 中引入的 50Ω 电阻,以之前放置 50Ω 电阻的端点处为测试点焊接上射频探头。
③ 给 NCF29A1 上电,并将射频探头与频谱分析仪连接。 (频谱分析仪现在提供 50Ω 以具有相同条件的阻抗 ZPAOUT)
④ 通过按键或者低频信号触发 NCF29A1 发射高频信号,可以在频谱仪上获取到 NCF29A1 对应的发射功率,如图 8 所示。
图 8 NCF29A1 PA 的频谱仪测量结果
- PA 输出功率应与软件设定值(一般为 10dBm)一致。
- 由于 50Ω 是由频谱分析仪为谐波提供的,电流供应可能比预期高 1~2mA。
8)连接天线
① 调整天线,使其在默认情况下提供 50 欧姆
- 对于手持设备,PCB应放置在外壳中,以避免后期因其影响而误配。
② 将天线连接到 PA 匹配电路。
③ 最后测试辐射功率和电流消耗方面的性能。
9)性能优化
① 如果二次谐波的发射功率过高,则需要测试下一个不同的 L3 值,以优化 H2 陷波。这可能需要重复后面的匹配步骤。
② 如果 H2, H3 或 H4 的谐波功率过高,则根据步骤 3 的描述,需要降低 C3 的值,增加 L2 的值,以满足谐振条件。如果找到了更好的组合,则需要通过重复后面的匹配步骤来调整 ZPAOUT。
③ 在某些情况下,可以通过稍微改变 C1 和 L1 的 ZPAOUT 来提高电流消耗/输出功率性能,以满足应用需求。为此,可以用 C1 和 L1 的附近值测试应用 PCB。这种测试应该对由初始值、下一个较高值和下一个较小值组成的两个组件的所有组合进行。
五、参考文献
[1] AN-CAI1403_TOKEN_RF_PA_Matching (1.1).pdf
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