NCF29A1 高端阻抗匹配

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 Z_PAOUT 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 Z_PAOUT。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 C_{b_EXT} 的其他影响:
        2）如图 3 所示，在基频条件下：

                ① 由于 L_Choke & C_NH2 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：C_NH2 = 4/3 * C2。

图 3

        3）由图 3 所示，C_NH2 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，L_Choke 和 C_NH2 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 C_NH2（C_NH2 = 4/3 * C2）和 L_CHOKE 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 Z_PAOUT 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

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 Z_PAOUT 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 Z_PAOUT

                ① 放置 L1 和 C1 使阻抗 Z_PAOUT ≈ 50Ω。
                ② Z_PAOUT 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 Z_PAOUT 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 Z_PAOUT)
                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



五、参考文献

[1] AN-CAI1403_TOKEN_RF_PA_Matching (1.1).pdf