【導讀】在汽車領域基本上都實現(xiàn)了遙控鑰匙進入、無鑰匙進入，啟動的方式。而這些設計中都會用到UHF模塊的設計，而UHF模塊的設計對整個系統(tǒng)性能來說起著非常重要的作用。本文就為大家詳細講講汽車門禁UHF模塊設計及阻抗匹配。
目前在汽車領域基本上都實現(xiàn)了遙控鑰匙進入、無鑰匙進入，啟動的方式。無論是RKE (Remote Keyless Entry) 還是PKE (Passive Keyless Entry) 系統(tǒng)，都會用到UHF接收模塊。而UHF模塊的設計對整個系統(tǒng)性能來說起著非常重要的作用。
UHF 接收模塊一般由一下幾部分組成：天線，聲表面波濾波器（SAWF，可選），外部低噪聲放大器（Ext. LNA，可選）, UHF接收芯片（UHF Receiver），以及這些元器件之間的阻抗匹配電路。如Fig 1.
對于整個接收模塊來說，在PCB設計好的情況下，硬件上性能的優(yōu)化，主要就集中在了如何進行各個子模塊之間的阻抗匹配，使得信號在各個模塊之間傳輸時損失最小。這篇文章主要來談一下UHF接收模塊的阻抗匹配的方法。
總體上來說，阻抗匹配有兩種方式：一種是直接匹配，另一種是間接匹配。
所謂直接匹配，就是說把系統(tǒng)前級模塊的輸出阻抗和下級模塊的輸入阻抗，只通過一個匹配網(wǎng)絡，直接進行匹配。 如Fig 2所示。由于匹配的目的是要得到最優(yōu)的功率傳輸，所以這個匹配又可以叫做功率匹配或者共軛匹配。例如，假設前級模塊的輸出阻抗是Zo=x+jy ohm, 后級模塊的輸入阻抗是Zin=a+jb ohm，通過匹配網(wǎng)絡后，從前級模塊輸出往后級看去阻抗為Zo’=Zo*，即Zo’=x-jy. 這樣前后級就可以說共軛匹配就完成了。
間接匹配，如Fig 3所示。把前級輸出阻抗和后級輸入阻抗，分別匹配到50ohm。這樣前后級就通過50ohm這個“中間人”匹配到了一起，這就是所謂的間接匹配。
對于系統(tǒng)來說，決定是選擇直接匹配還是間接匹配有很多因素要可慮。一般來說，直接匹配優(yōu)點主要是所需匹配元器件少，損耗自然也會小一點，占用PCB空間小，易于PCB設計；缺點是有時前級的輸出阻抗比較難測量，只能通過查詢相關的規(guī)格書來得到，結果有可能會誤差比較大；由于模塊間是任意阻抗的匹配，而一般RF測試設備都是50ohm輸入/輸出阻抗，想測試每個模塊節(jié)點間的性能就很不方便。相反，間接匹配需要更多的匹配元件，占用更多的PCB空間；但優(yōu)點同樣突出，由于模塊間都是匹配到50ohm，每個模塊節(jié)點的性能測試起來都比較方便。
本文將以下面的 (Fig 4) 模塊構架為例來介紹如何進行一步一步的匹配。可以看出里面既包含了間接匹配又包含直接匹配。
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2 阻抗匹配的步驟
在實驗室進行阻抗匹配一般需要用到的設備是：網(wǎng)絡分析儀（用于阻抗的測試和匹配），RF 信號發(fā)生器（用于匹配后性能的測試和確認），SmithChart仿真軟件，有時還會用到數(shù)字型號發(fā)生器。在汽車門禁系統(tǒng)，一般用到的頻段是315MHz, 434MHz, 868MHz, 915MHz，我們以434MHz頻段為例來說明整個流程。
本文以下面的 (Fig 4) 模塊構架為例來分部介紹如何進行阻抗匹配。
阻抗匹配的流程一般為：天線模塊的匹配，射頻接收器和SAWF 輸出匹配，SAWF輸入端的匹配。
2.1 天線匹配
由于使用天線總類不同，天線的阻抗也會有很大不同，要么表現(xiàn)為感性阻抗，容性阻抗或者純電阻。假設測出來的天線阻抗是Zant=20+j200，來看一下如何進行匹配。
從Zant到50ohm阻抗轉換有很多種拓撲結構，以最少元器件原則一般L型網(wǎng)絡就可以實現(xiàn)。那具體L型網(wǎng)絡的L&C, C&L, C&C, L&L的分布，可以按照具體要選擇高通濾波型，低通濾波器型，帶通濾波器或者是隔直流型等形式。
通過SmithChart 仿真器仿真 (Fig 5)可以看到，天線通過串聯(lián)2.1pF和并聯(lián)一個9pF的電容，在Fig 4的A點可以得到ZA=50ohm的阻抗。這種匹配是最經(jīng)濟的一種方法，只要兩個電容就可以實現(xiàn)。
然而如果既要完成阻抗匹配，又要實現(xiàn)低通濾波效果，則可以采用Fig 6的形式來實現(xiàn)，
以此類推也可以得到具有高通濾波的匹配網(wǎng)絡。
天線的匹配通過這種方法就可以完成了。在A點向天線看過去，經(jīng)過匹配網(wǎng)絡阻抗轉換就得到了50ohm的阻抗。
通過上述匹配后，天線的性能可以直接在專門的電波暗室里測試。天線的增益，方向性，場分布等性能都是比較重要的參數(shù)，對整個系統(tǒng)性能影響也比較大。
需要注意的是，由于模塊外面都有外殼然后放在車內工作，天線的性能受外殼和車內環(huán)境影響比較大。在進行天線阻抗匹配的時候一定要注意實際工作的環(huán)境，最好是把模塊裝進外殼，放在車內固定位置進行阻抗匹配。如果這樣做實在困難，也可以使用汽車臺架來操作。
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2.2 射頻接收器和SAWF的匹配
在Fig 4中可以看出，SAWF輸出和射頻接收器之間只用到了一個匹配網(wǎng)絡，這就是上面提到的直接匹配。在確定要使用SAWF的系統(tǒng)中，一般只要確認SAWF加上射頻接收器的靈敏度就可以了，因為SAWF的插入損耗一般是已知的。當然，如果確實需要單獨測試射頻接收器的靈敏度，可以在這里再加一個匹配網(wǎng)絡，把SAWF和射頻接收器分別匹配到50ohm，前提是在他們之間有足夠的空間來布置元器件。
下面來討論一下基于Fig 7的阻抗匹配方法。
步驟 1：確認射頻接收器的輸入阻抗。
在射頻接收器的數(shù)據(jù)手冊里都會標明射頻輸入端的輸入阻抗值或者等效的R//C值是多少。有些讀者會直接用這個值來作為芯片的射頻輸入的值來進行匹配。這里需要說明的是，這個值一般是芯片設計的理想值，具體到不同的PCB板的話普遍有比較大的差異。
正確的做法是，給接收器通電，通過上位機或者芯片內部程序使芯片處于接收狀態(tài)，如果內部有低噪聲放大器的話，要使它處于最大增益狀態(tài)，同時調整網(wǎng)絡分析儀的輸出功率，使得芯片內部放大電路工作在線性放大狀態(tài)，防止其飽和，從而影響結果。一般功率設定在-60dBm以下就可以滿足要求，具體參考芯片的數(shù)據(jù)手冊。
這里我們假設測得D點的輸入阻抗為Zrx_in=200
步驟 2：查看SAWF的數(shù)據(jù)手冊，找出輸出阻抗值。
由于SAWF的輸出阻抗很難在實驗室測量，我們暫時假設它的值為數(shù)據(jù)手冊所示。比如
Zout=60-j150.
步驟3：對芯片輸入和SAWF輸出進行共軛匹配。
窄帶SAWF一般是設計用于功率匹配，即共軛匹配。
這一步主要是用到Smithchart 仿真工具，暫時不需要網(wǎng)絡分析儀。因為SAWF的輸出阻抗難以測量，我們以假設為基礎仿真出所需要的匹配網(wǎng)絡，在后面步驟，我們會來驗證這個假設。
由Fig 8看出，射頻接收器輸入端阻抗，通過并聯(lián)2.7pF電容和串聯(lián)89nH電感，在C點得到阻抗Zout*=60+j150 ohm，正是SAWF 輸出阻抗Zout的共軛阻抗。
到這里，射頻接收器輸入端和SAWF輸出端的匹配基本完成。接下來的步驟會反過來驗證這一步的結果。
步驟4：SAWF 輸入端匹配
這一步的匹配和步驟3聯(lián)系比較緊密。首先，接收器和網(wǎng)分的設置和步驟1相同。
在A點用網(wǎng)分測量輸入阻抗，調整輸入匹配網(wǎng)絡，使得測得的A點的阻抗為50ohm。具體方法在“參考1”中有詳細描述。
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假設在A點測得的阻抗類似Fig 9中所示。可以看到此時阻抗是ZA=43-j9 ohm。我們把網(wǎng)絡分析儀測量格式改成駐波比和Log Mag，確認一下匹配性能，如圖Fig 10, Fig 11。可以看到VSWR=1.39，Log Mag=-17.5dB。一般情況下要求Log Mag<-10dB，所以目前的匹配是很好的。
在Fig 9中我們注意到434MHz附近有一個卷曲的環(huán)，這是由于SAWF的原因產(chǎn)生的。可以看到這里的環(huán)非常小，而且距離50ohm也非常近，說明步驟3和4的匹配是成功的。
如果結果顯示卷曲的環(huán)比較大的話，說明在步驟3中的匹配產(chǎn)生了偏差，需要調整一下匹配網(wǎng)絡元器件的值，直至達到想要的結果。
步驟5：測試驗證從SAWF到芯片的性能
至此，整個匹配工作基本上完成，下面還需要對匹配的結果進行測試驗證。
一般是用射頻信號發(fā)生器從A點輸入調制信號，通過降低輸入信號的功率測試芯片的靈敏度。根據(jù)芯片廠家規(guī)格書上的設定描述和評判標準來測試，然后結果和對應的芯片規(guī)格書的靈敏度對比，如果結果很接近，說明匹配是好的，如果結果差別比較大，就需要對匹配的結果進行微調。
如果按照上述步驟來進行匹配，期間不出現(xiàn)明顯的錯誤，最后得到的結果會和芯片廠家的結果非常接近。
步驟6：驗證整個模塊的性能
最后，把天線和后面的所有子模塊都連接起來，按照不同的客戶要求來測量這個模塊的性能。
