RF接收路径的匹配流程----以GPS为例

Author:Criterion调Matching前，至少准备两块板子。一块完整PCB，有上全部零件:一块裸版，完全都没上零件:1Author:Criterion匹配前注意事项匹配前注意事项匹配前注意事项匹配前注意事项—铜管铜管铜管铜管很多人忽略这点，但其实这是最重要的，因为你在调匹配过程中，会量S11(阻抗)，跟S21(Loss)。如果铜管这边，该注意的没注意，那么你量到的S11跟S21，都是错的。更直接一点讲，你所有的匹配工作，都是白费工。1.铜管长度不宜过长Q.反正我用PortExtension把铜管校掉就好啦不对!!PortExtension不是万能的。如果铜管过长，便无法完全校掉，如下图:2Author:Criterion由上图可知，若铜管过长，即便你做完PortExtension，其阻抗并非完美的一点Open，而是会拖一段轨迹，那么当你实际上去量PCB时，你量到的阻抗，其实包含了铜管。也就是说，此时你量到的PCB阻抗，是不准的，是有误差的。你若根据不准的阻抗去做匹配，你调出来的匹配永远不会好而且，不管是PCB走线，还是铜管，都一样，只要长度一长，其50奥姆就会偏掉，那就会导致MismatchLoss。换言之，当你实际去量PCB的InsertionLoss时，因为包含了铜管本身的MismatchLoss，以至于你量出来的InsertionLoss，会比PCB实际的InsertionLoss还大。因此常有人误解，单纯量InsertionLoss，因为不看阻抗，所以不需要校正。这是不对的观念，你量出来的阻抗错误，会连带使你量出来的InsertionLoss过大。简单讲，只要用到铜管量S参数，不管是S11，还是S21，Open/Short/Load校正跟PortExtension就是要做，而且铜管长度不宜过长。3Author:Criterion2.铜管要弯折后，再做PortExtension。因为实际上，你在做匹配时，铜管可能会弯折:如果你还没弯折时，就先做PortExtension，如下图左，即便此时你的阻抗是完美的一点Open，但是当你把铜管弯折后，其阻抗会偏，亦即此时阻抗并非完美的一点Open，如下图右:4Author:Criterion你一开始就未把铜管给校掉，亦即你量到的PCB阻抗，是不准的，是有误差的。你若根据不准的阻抗去做匹配，你调出来的匹配，永远不会好。所以应该是，先在裸版上，把铜管弯折到你方便焊接的角度后，再去做PortExtension，直到其阻抗是完美的一点Open，如下图:此时才可以开始去做匹配的工作。当然，一旦你作完PortExtension之后，你这铜管，就不能再弯折。简单讲，作匹配时，你铜管的长度跟弯折，都必须与作PortExtension时完全一样，否则后面的匹配工作，都是白费工。5Author:Criterion3.接地要足够有些Pad在板边，如下图，铜管这样焊其实不对，因为没有足够的接地。正确应该如下图:所以为啥前面说，实际上在量测PCB参数时，铜管有可能会弯折，原因之一就是，你得确保铜管有足够的接地。6Author:Criterion4.接地处要离Pad越近越好除了接地要足够，要尽可能大，还有一点，接地的位置，要离Pad越近越好。所以用下图为例，你接地之处，应该是黄圈，而不是红圈，因为黄圈离Pad较近。Q.如果黄圈处的地，只有一点点，这样就接地不够。红圈处的地很大，但离Pad很远，要选哪一个?7Author:Criterion答案是，你两个都选。不管怎样，接地之处，一定要极接近Pad。所以在Pad附近，先找个可以接地的地方，是当务之急。所以像黄圈，不管地多小，你就是要焊锡。如果觉得黄圈的地不够大，那就是再找个可以有足够接地的地方，再作补强，也就是红圈处。否则，不管是地不够大，或是地离pad太远，都会使量出来的Loss过大。如果讯号附近的GND，实在不好焊锡，必要时可在铜管外缘，多焊一个Pogopin，以方便接地。8Author:Criterion匹配前注意事项匹配前注意事项匹配前注意事项匹配前注意事项—温度温度温度温度常遇到的状况是，热风枪吹完，电感电容焊上去，马上去量阻抗，却发现怎么调都跟预期有落差，怎么调都不会50奥姆。这是因为，电感电容的值，会受温度影响。你热风枪刚吹完，就算等到锡凝固了，此时PCB温度也还有200度，此时电容电感值，会因高温而有所误差，量出来的阻抗，是不准的，你根据一个不准的阻抗，不断地微调，不断地焊接，都只是白费工。所以要先把PCB放凉，至少等到PCB温度跟常温一样，才能去量阻抗。9Author:Criterion匹配前注意事项匹配前注意事项匹配前注意事项匹配前注意事项—塑料镊子塑料镊子塑料镊子塑料镊子当你要焊接前，先用塑料镊子，把零件压在Pad上方，去观察SmithChart:Q.这看到的阻抗不准吧肯定的啊，但你可以先透过这方式，去观察SmithChart的趋势轨迹，是否如你预期。如果在你预期之内，你再去焊接都还不迟。如果在你预期之外，那你就不要浪费时间去焊接了，赶快换值再作观察，方为上策。Q.为啥要塑料镊子?因为金属会影响阻抗，如果你用金属镊子，假设你夹的是电容，那么你实际上在SmithChart看到的趋势轨迹，是(金属镊子+电容)，而并非只有电容。再次强调，根据不准的资料去做分析，后续的分析工作，都是白费工。10Author:Criterion匹配流程匹配流程匹配流程匹配流程整个BlockDiagram，大概如下图:Step1.拿有上件的PCB，如果是Switch，就额外供给Vcc跟控制讯号，把Switch开启，Port1接Connector，Port2接Diplexer/Switch输出，调Matching1，调到50奥姆。11Author:Criterion调完后，再把这组Matching1，放到裸版，量S21，也就是InsertionLoss。否则如下图，你今天串一个1nH电感，并5pF电容，其InsertionLoss高达3.7dB，这样的话，不管你阻抗多接近50奥姆，这组Matching都不能用。因为GPS讯号太微弱，所以对于Loss要非常计较，哪怕是SAWFilter或Diplexer，Loss也不会到3.7dB，怎能让一组Matching，Loss就高达3.7dB???而且这是在LNA输入端，亦即你光这组Matching，就会让你的灵敏度，劣化3.7dB，那你后面怎么调，CNR跟灵敏度，都不会好。12Author:Criterion当然，如果要串联电感，记得要选高Q值的，因为Loss会比较小。而且Q值大了，其带宽会较窄，亦即某种程度上，你这高Q值电感，还有挡带外噪声的功能。13Author:CriterionQ.假设Diplexer/Switch的Datasheet标示，其InsertionLoss是1dB，我在Step1量到的InsertionLoss(Matching1+Diplexer/Switch)是1.5dB，这样就表示我Matching1的InsertionLoss是1.5dB–1dB=0.5dB。我用算的就好，为啥还要把Matching1放到裸版去量InsertionLoss?当你IC焊到PCB时，其InsertionLoss会比Datasheet大，如下图:也许Diplexer跟Switch的组件本身，阻抗确实如Datasheet所标示，为50奥姆。但是，一但焊在PCB上，就很难讲。首先，走线跟Pad接合处，就已经是一个阻抗不连续面，如下图:再加上PCB的寄生效应之类，以及Layout因素，此时阻抗一定会偏离50奥姆。换言之，就算你组件本身50奥姆，但焊在PCB上之后，就未必50奥姆。在此情况下，一定会有MismatchLoss。因此IC焊到PCB时，其InsertionLoss之所以比Datasheet大，主要原因就是来自MismatchLoss的贡献。所以你不能直接用Diplexer/Switch的Datasheet来计算InsertionLoss。14Author:CriterionQ.那这样我直接用裸版调Matching1，然后确保其阻抗在50奥姆附近，InsertionLoss也很小，这样Matching1就调好啦，为啥要先用有组件的PCB去调，然后调好后再用裸版验证InsertionLoss，这不是很麻烦?就算你用裸版单独调Matching1，调到50奥姆。但实际上你把Diplexer/Switch包含进来后，其阻抗未必50奥姆，如下图:因为如前述，走线跟Pad接合处，就已经是一个阻抗不连续面，加上PCB寄生效应，以及Layout因素，即便Diplexer/Switch的Datasheet标示为50奥姆，但焊在PCB上，就不会是50奥姆了。这样的话，一旦你把Diplexer/Switch包含进来后，Matching1还是要再做微调。既然如此，那干脆一开始就直接把Diplexer/Switch包含进来，此时去调Matching1，是最快最准的方式。不要忘记，实际上eLNA(ExternalLNA)或接收机的输入阻抗，是从Connector一路看进去，不是只取决于单一匹配电路。既然如此，当然要把Diplexer/Switch包含进来。15Author:CriterionStep2.拿有上件的PCB，如果是Switch，就额外供给Vcc跟控制讯号，把Switch开启，Port1接Connector，Port2接Pre-SAW输出，调Matching2，调到50奥姆。当然，还是一样，Matching2调到50奥姆后，要再用裸版验证其InsertionLoss。Q.可以调Matching1吗?最好不要，因为Matching1也会影响到WiFi，所以一旦Matching1调到50奥姆，InsertionLoss也很小，就确定下来，不要再去更动。16Author:CriterionStep3.拿有上件的PCB，如果是Switch，就额外供给Vcc跟控制讯号，把Switch开启，Port1接Connector，Port2接eLNA输入，调Matching3。注意~!!此时Matching3，就未必是调到50奥姆，通常LNA的厂商，会提供你NoiseCircle的图，如下图:所以此时你要把Matching3，调到NoiseFigure最低的阻抗点，而非50奥姆。17Author:CriterionQ.但偏离了50奥姆，因为MismatchLoss，连带InsertionLoss一定会变大，你刚说一组Matching的Loss如果偏大，再怎样都不能用。那我该如何衡量这组Matching能不能用??这是个好问题，我们用下图解释:因为网分是50奥姆系统，所以当你Matching3偏离了50奥姆，量出来的InsertionLoss当然会偏大(MismatchLoss的贡献)，例如1dB。但是LNA非50奥姆系统，故此时Matching3对LNA来讲，其Loss就不一定是1dB，也许比较小。但还是要谨记刚所提及的原则，Matching的Loss不宜过大，假设你今天Matching3，用50奥姆系统的网分看，其Loss是5dB。你觉得有可能，对非50奥姆的LNA来讲，其Loss就缩减为0.3dB吗??当然不会啊，针对Matching3，即便50奥姆系统网分量到的Loss，跟非50奥姆系统LNA看到的Loss不同，但Loss越小越好，都是不变的原则。尤其是(串联电感+并联电容)这种组合，更要特别注意。18Author:Criterion所以Matching3，调到NoiseFigure最低的阻抗点后，一样要用裸版去验证其InsertionLossQ.为啥不是调Matching2?因为Matching3离LNA最近，所以影响LNA最大。因此，使阻抗座落在LNA之NoiseFigure最低之处，这个任务，由Matching3来完成。Matching2只要确保50奥姆，InsertionLoss不要太大，这样就可以了。19Autho