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      WiFi接口開發的高級技巧

      作者:Heinz Zenkner 博士,伍爾特電子獨立顧問時間:2022-10-24來源:電子產品世界收藏

      將 WiFi 接口集成到所有應用中

      本文引用地址:http://www.tpagfe.com/article/202210/439499.htm

      對于物聯網而言,通過 WiFi 來連接設備非常普遍。但是高性能 WiFi 連接需要針對 RF 的電路設計,其中必須仔細考慮元件、PCB 設計和布局以及天線匹配等因素。

      由于物聯網應用的興起和控制的去中心化,需要在傳感器等外圍設備中集成無線連接,從而與中央控制器進行數據通信,這對于許多開發人員而言是一個挑戰。無線連接的優點很明顯:無需電隔離或布設固定線纜。需要高質量的無線網絡才能確保即使在干擾嚴重的環境中也能進行安全穩定的通信。高質量的 WiFi 連接需要針對 RF 進行設計才能同時滿足 EMC 和信號完整性要求。

      避免天線反射

      WiFi 控制器以數字方式運行,它不僅會在 Tx 輸出端口產生需要的信號,還會產生諧波干擾信號。同時還有由傳輸路徑不匹配引起的干擾。理想情況下,從驅動輸出到天線的路徑阻抗應為 50 Ω。為了降低諧波干擾和改善匹配,人們常常會對 WiFi 接口的發送和接收路徑采取一些措施,例如使用濾波器和匹配網絡等。

      選擇適合射頻的濾波器元件

      在電路中,電容、電感和電阻等元件的組合會產生不同的阻抗。在高于 500 MHz 的頻率范圍內使用濾波器元件時,需要重點關注最重要的元件特性。

      500 MHz 以上的射頻電容

      只有某些類型的電容適用于高頻應用,例如 WCAP-CSRF 系列(料號 885392005010)。其規格書中的電氣參數在如圖 1 所示,包括諧振頻率、ESR、直流偏置漂移和溫度漂移。這些參數也可以在在線仿真平臺“REDEXPERT”(redexpert.we-online.com)上進行仿真。  

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      圖1:3-pF HF 電容 WCAP-CSRF 885392005010 的電氣特性。

      500 MHz 以上的射頻電感

      天線匹配通常會使用不帶鐵氧體磁芯的電感,而EMI 濾波器通常會使用帶鐵氧體磁芯的電感。在電感使用了鐵氧體磁芯的情況下,必須根據阻抗曲線仔細選擇鐵氧體材料。

      對于低損耗天線匹配網絡的濾波器或類似的射頻應用,WE-KI 系列電感非常適合。為了實現高品質因數和高諧振頻率,這些元件使用陶瓷材料(表 1)。 

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      1:SMD 電感 744761110A 的特性數據來自規格書

      創建 WiFi 接口

      2 展示了一個帶有 WiFi 接口的 IoT 電路例子。有限功率的輻射源(如收發器)可以實現的無線電覆蓋范圍在很大程度上取決于天線設計、封裝和 PCB 布局。在實踐中,大多數產品都配備了一個收發器芯片,它結合了發送和接收功能。當然,這意味著天線匹配、饋線和天線本身都同時用于發射和接收操作。接收通道通常具有較寬的動態范圍,靈敏度 > 95 dB ,天線有 3 - 4 dB 的靈敏度降低。增益調整可以補償由于失配造成的損失。發射操作至關重要,如果天線的靈敏度降低 3 dB 或發射輸出級和天線之間的路徑上損耗增加 3 dB,就需要發射器輸出兩倍的功率。即使 Tx 芯片能夠輸出兩倍的發射功率,也會不可避免地導致高電流消耗以及發射的信號中包含更高比例的諧波干擾,甚至可能會導致 EMC 問題。值得注意的是,收發芯片或通信模塊的制造商通常會在規范中指定最合適的天線。這是為了確保符合 RED 指令 2014/53/EU 的適用標準,同時考慮到可行性。 

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      圖2:物聯網電路板上的 WiFi 接口電路

       

      陶瓷芯片天線

      陶瓷芯片天線具有幾個優點:它的尺寸很小,不易受到附近元件的電磁干擾;無需仿真即可輕松更改電路板設計或布局;可以簡單地修改天線甚至更換為不同的天線。GPS 和 2.4 GHz 等移動和高頻應用經常使用陶瓷天線。圖 3 展示的是適用于 WiFi 連接的 WE-MCA 多層片式天線。

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      圖3:各種設計的 WE-MCA 多層片式天線

      最大化傳輸功率

      當源阻抗等于負載阻抗時,傳輸功率最大。這意味著發射器輸出的源阻抗為 ZT,它向阻抗為ZL的電路路徑傳輸功率,ZL 應與 ZT 相等。功率傳輸到阻抗為 ZA 的天線,理想情況下天線的阻抗應該與饋線和源的阻抗相同。當所有阻抗都具有相等的值時,就會達到最大傳輸功率。如果匹配不佳,收發器發送的幅度為 VIN 的信號進入電路路徑,只有一部分信號會到達天線,剩余的信號會在源和饋線之間或饋線和天線之間的不連續處反射。

      通過加入匹配網絡(通常是 π-、T-、LL- 或 LC-網絡)可以大幅減少這種失配。匹配網絡的電容值和電感值通常在 pF 和 nH 范圍內。從 0.5 pF 到 20 pF, 和 0.5 nH 到 20 nH 范圍的樣品組合非常有用。因此WiFi 接口的布局中必須包含天線匹配網絡放置的位置。

      在圖 4 所示的示例中,天線位于電路板的角落。天線不會被其他的元件所包圍,從而獲得良好的天線性能。 

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      圖4:WiFi 接口板天線區域的部分布局

      在這一案例研究中,對 WE-MCA 多層片式天線(料號 7488910245)進行了匹配以實現最大功率傳輸。

       

      關于作者

      Zenkner 博士是的獨立顧問,作為 EMC 專家專門從事技術營銷和應用工程工作。




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