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WiFi接口開發(fā)的高級技巧

發(fā)布時間:2022-10-24 責任編輯:lina

【導讀】對于物聯(lián)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。


將 WiFi 接口集成到所有應用中


對于物聯(lián)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(lián)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(shù)據(jù)通信,這對于許多開發(fā)人員而言是一個挑戰(zhàn)。無線連接的優(yōu)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(huán)境中也能進行安全穩(wěn)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(shù)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(fā)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(guī)格書中的電氣參數(shù)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(shù)也可以在在線仿真平臺“REDEXPERT”(redexpert.we-online.com)上進行仿真。


WiFi接口開發(fā)的高級技巧

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(jù)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(xiàn)高品質因數(shù)和高諧振頻率,這些元件使用陶瓷材料(表 1)。


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表1:SMD 電感 744761110A 的特性(數(shù)據(jù)來自規(guī)格書)


創(chuàng)建 WiFi 接口


圖 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(fā)器)可以實現(xiàn)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(shù)產品都配備了一個收發(fā)器芯片,它結合了發(fā)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(fā)射和接收操作。接收通道通常具有較寬的動態(tài)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(fā)射操作至關重要,如果天線的靈敏度降低 3 dB 或發(fā)射輸出級和天線之間的路徑上損耗增加 3 dB,就需要發(fā)射器輸出兩倍的功率。即使 Tx 芯片能夠輸出兩倍的發(fā)射功率,也會不可避免地導致高電流消耗以及發(fā)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(fā)芯片或通信模塊的制造商通常會在規(guī)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。


WiFi接口開發(fā)的高級技巧

圖2:物聯(lián)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(yōu)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(fā)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?shù)阶杩篂?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(fā)器發(fā)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(xù)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。


WiFi接口開發(fā)的高級技巧

圖4:WiFi 接口板天線區(qū)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(xiàn)最大功率傳輸。


(來源:伍爾特電子,作者:Zenkner 博士,伍爾特電子的獨立顧問,作為 EMC 專家專門從事技術營銷和應用工程工作。)


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