環(huán)境溫度對(duì)電壓駐波比影響的理論分析

劉　淼

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

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環(huán)境溫度對(duì)電壓駐波比影響的理論分析

劉淼

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

摘要目前設(shè)計(jì)的射頻通信板一般都具有天線端口的信號(hào)駐波比檢測(cè)功能。在高低溫環(huán)境下，單板檢測(cè)到的駐波比值與常溫相比會(huì)發(fā)生變化。如果單板設(shè)計(jì)不良，這種變化有可能導(dǎo)致天線在位狀態(tài)的誤判，這種誤判將嚴(yán)重影響單板的正常通信功能。該文以一款實(shí)際使用的射頻通信板為例，詳細(xì)分析了環(huán)境溫度，微帶線特性阻抗和微帶線電長(zhǎng)度等因素對(duì)駐波比的影響機(jī)制，為包含駐波比檢測(cè)功能的單板提供理論性的設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞電壓駐波比；環(huán)境溫度；特性阻抗；電長(zhǎng)度

0引言

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)和無(wú)線應(yīng)用產(chǎn)品的發(fā)展，大容量、超寬帶及多功能的綜合信息系統(tǒng)得到人們的廣泛關(guān)注，而作為通信系統(tǒng)重要組成部分的射頻單元，因其具有的數(shù)模轉(zhuǎn)換、頻譜調(diào)制和功率放大等功能，一直是研究的熱點(diǎn)[1,2]。遠(yuǎn)距離通信的發(fā)展使得通信系統(tǒng)的功耗不斷加大，調(diào)整射頻端單元端口的駐波比作為一種功耗控制手段[3,4]應(yīng)用在天線等設(shè)備中[5,6]。通信設(shè)備都有設(shè)定的工作溫度范圍，環(huán)境溫度對(duì)射頻通信板性能一定的影響[7,8]，尤其對(duì)具有駐波比檢測(cè)功能的通信板，這種影響有可能導(dǎo)致天線在位狀態(tài)的誤判，進(jìn)而嚴(yán)重影響設(shè)備的正常通信功能。該文以一款實(shí)際使用的射頻通信板為例，通過(guò)理論推導(dǎo)，細(xì)分析了環(huán)境溫度，微帶線特性阻抗和微帶線電長(zhǎng)度等因素對(duì)駐波比的影響機(jī)制。在理論分析的基礎(chǔ)上，該文提出單板在PCB制作過(guò)程中的若干設(shè)計(jì)要點(diǎn)，據(jù)此可以盡可能減小環(huán)境溫度對(duì)端口駐波比的影響，為包含駐波比檢測(cè)功能的單板提供理論性的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1問(wèn)題背景

某應(yīng)用于超高頻RFID閱讀器的射頻通信板，工作在UHF頻段(840~845 MHz，920~925 MHz )，單板采用R-4板材的基板。單板的發(fā)射和檢波鏈路框圖如圖1所示。

如圖1所示，調(diào)制信號(hào)經(jīng)功放放大后，通過(guò)環(huán)形器，低通濾波電路，耦合器和天線控制開(kāi)關(guān)后從天線口發(fā)射出去。RFID閱讀器射頻通信板(以下簡(jiǎn)稱單板)的工作方式是全雙工，天線同時(shí)發(fā)送和接收，單板共有4條發(fā)射和接收鏈路(1，2，3，4)，其中鏈路1和4在PCB板上的layout走線稍長(zhǎng)，鏈路2和3的layout走線稍短。正常工作時(shí)，單板通過(guò)天線控制開(kāi)關(guān)依次選取各個(gè)鏈路(4選1)進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)。單板終端焊接BMA接頭，通過(guò)接頭與天線或負(fù)載相連接。

單板的駐波比檢測(cè)功能是通過(guò)檢波管完成的。發(fā)射采樣信號(hào)通過(guò)功放-環(huán)形器之間的微帶線耦合得到，接收采樣信號(hào)通過(guò)環(huán)形器3端口的微帶線耦合得到，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣和衰減網(wǎng)絡(luò)后取得合適值輸入給檢波管，檢波管輸出的電平信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入給數(shù)字基帶進(jìn)行處理，數(shù)字基帶通過(guò)計(jì)算得到駐波比值。

由于環(huán)形器到天線口之間的插損較大，故取環(huán)形器2端口截面的駐波比代替天線口駐波比來(lái)給定單板的駐波比值。規(guī)定駐波比門(mén)限，并以此判斷天線的在位狀態(tài)(駐波比值≤門(mén)限，天線在位；駐波比值>門(mén)限，天線不在位)，根據(jù)小批量測(cè)試，確定單板的駐波比門(mén)限是1.6。

調(diào)試中從環(huán)形器2端口往天線口看的駐波比范圍是1.2~1.25，天線自身駐波比是1.2，二者級(jí)聯(lián)后的駐波比最大可達(dá)1.5(1.25*1.2)在在位判斷門(mén)限以內(nèi)。但在高低溫環(huán)境的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)單板的駐波比波動(dòng)后可能超過(guò)門(mén)限，引起天線在位狀態(tài)的誤判。

2環(huán)境溫度對(duì)駐波比影響的理論分析

高低溫實(shí)驗(yàn)時(shí)的變量只有溫度，顯然溫度對(duì)單板駐波比產(chǎn)生了影響，所以問(wèn)題就是搞清楚溫度對(duì)駐波比的具體影響途徑，并從理論上分析出減小這種影響的方法。

單板基板采用普通的FR-4板材，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，性價(jià)比合適，缺點(diǎn)是介電常數(shù)不穩(wěn)定，高頻損耗大。一般用于對(duì)損耗要求不高和一致性要求不嚴(yán)格的普通射頻板。FR-4基板的介電常數(shù)隨著溫度的變化而變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在正常的工作溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)與環(huán)境溫度的關(guān)系基本呈線性，環(huán)境溫度每升高10℃，介電常數(shù)降低約0.1。

2.1　微帶線特性阻抗對(duì)駐波比的影響

溫度可以通過(guò)改變微帶線特性阻抗來(lái)影響駐波比。建立單板的天線控制開(kāi)關(guān)與單板終端之間的微帶線模型，如圖2所示。根據(jù)實(shí)際尺寸，微帶線寬W=0.9 mm，厚度T=0.035 mm，頂層和參考地層之間FR-4介質(zhì)層的厚度H=0.505 46 mm，微帶線長(zhǎng)L對(duì)特性阻抗無(wú)影響，這里給定L=200 mm。

圖2　微帶線模型

單板的工作溫度范圍是-35℃～+65℃。常溫工作時(shí)(25℃)，F(xiàn)R-4基板的介電常數(shù)εr=4.5 按照微帶線特性阻抗公式[9]：

w/h>1，

有效介電常數(shù)：

計(jì)算出常溫時(shí)(25℃)Z0=49.97 Ω。

為了說(shuō)明溫度對(duì)微帶線特性阻抗的影響途徑，建立微帶線與負(fù)載的傳輸線模型，如圖3所示。ZL是負(fù)載(BMA接頭)的特性阻抗，Z0是從環(huán)形器到負(fù)載之間微帶線的特性阻抗。為了簡(jiǎn)化這個(gè)模型只有Z0和ZL，沒(méi)有考慮環(huán)形器到接頭之間的匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖3　微帶線與負(fù)載的傳輸線模型

由于溫度每升高10℃，基板介電常數(shù)降低約0.1。由此計(jì)算出，高溫(65℃)時(shí)基板的介電常數(shù)變?yōu)棣舝=4.2，Z0=52.02 Ω；低溫(-35℃)時(shí)基板的介電常數(shù)變?yōu)棣舝=5.2，Z0=47.3 Ω。實(shí)測(cè)單板終端BMA接頭的阻抗ZL=r+jx=65.2+j*20.5 Ω，分別計(jì)算出：常溫VSWR=1.56；高溫VSWR=1.54；低溫VSWR=1.62由此可以看出，環(huán)境溫度可以通過(guò)改變微帶線的特性阻抗，來(lái)間接影響單板駐波比；減小基板的介電常數(shù)εr可以減小駐波比，提升單板的發(fā)射效率。

2.2　微帶線電長(zhǎng)度對(duì)駐波比的影響

圖4　源阻抗和負(fù)載阻抗的傳輸線模型

當(dāng)滿足共軛匹配條件時(shí)，ZL=ZS*，此時(shí)發(fā)射系數(shù)Γ=0，電路無(wú)反射，實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。建立源阻抗、負(fù)載阻抗和匹配網(wǎng)絡(luò)的傳輸線模型，如圖5所示。

圖5　源阻抗、負(fù)載阻抗和匹配網(wǎng)絡(luò)的傳輸線模型

無(wú)源匹配網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)容感(Cs,LS)和并聯(lián)容感(Cp,Lp)等無(wú)源器件組成，匹配的目的是將ZL通過(guò)阻抗變換轉(zhuǎn)化為ZS*，實(shí)現(xiàn)共軛匹配，這一過(guò)程可以顯示在Smith圓圖上，如圖6所示。

圖6　阻抗變換過(guò)程

ZS*為環(huán)形器的輸出阻抗，查看器件手冊(cè)其輸出阻抗等于50 Ω，匹配網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)若干次阻抗變換將ZL引到圓心。圖中VSWR=1.5是負(fù)載阻抗ZL所在的等反射系數(shù)圓。建立微帶線阻抗和負(fù)載阻抗的傳輸線模型，如圖7所示。

圖7　微帶阻抗和負(fù)載阻抗的傳輸線模型

ZL和Γ是負(fù)載阻抗和反射系數(shù);Zin和Γ′是經(jīng)過(guò)一段微帶線后的輸入阻抗和反射系數(shù)。假定微帶線特性阻抗Z0為常數(shù)。微帶線長(zhǎng)為l,電長(zhǎng)度θ=l/λ。

有效介電常數(shù)為：

式中，εr隨環(huán)境溫度發(fā)生變化；zin與z相比模不變，相位沿著以|Γ|為半徑的等反射系數(shù)圓順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)-2βl。因此，負(fù)載歸一化輸入阻抗zin經(jīng)過(guò)相同的匹配網(wǎng)絡(luò)(圖6中 1→2→3→4的阻抗變換過(guò)程)，將不能阻抗變換到圓點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)共軛匹配，因此使單板端口的駐波比變大，發(fā)射性能變差。在相同的環(huán)境溫度下，駐波比變化的程度隨微帶線長(zhǎng)度l的增大而增大，由于單板終端鏈路1、4比2、3的layout走線稍長(zhǎng)，因此1、4端口的單板駐波比變化更明顯，這和實(shí)測(cè)結(jié)果相符。因此在單板設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量縮短信號(hào)走線的長(zhǎng)度。

此外，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)角度：

可以得出，減小轉(zhuǎn)動(dòng)角度，即減弱阻抗失配對(duì)單板駐波比影響的另一個(gè)方法是減小介電常數(shù)εr。因此在單板設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮在主信號(hào)走線的平面上混壓微波板材(常用RO4350)，其特點(diǎn)是介電常數(shù)小(εr=3.48)且隨溫度的變化率小于FR-4基板，其穩(wěn)定的介電常數(shù)確保駐波比在高低溫下具有更好的穩(wěn)定性，防止因駐波比變化過(guò)大引起單板終端天線在位狀態(tài)的誤判。

通過(guò)

可以計(jì)算出駐波比隨溫度、介電常數(shù)和微帶線長(zhǎng)度的變化率。

3結(jié)束語(yǔ)

從理論上分析了影響單板駐波比的各種因素的作用途徑和影響機(jī)制，通過(guò)結(jié)論可知，正是環(huán)境溫度對(duì)微帶線特性阻抗和微帶線電長(zhǎng)度的改變，使得單板駐波比在高低溫時(shí)呈現(xiàn)一定的變化，當(dāng)單板設(shè)計(jì)沒(méi)有對(duì)這種變化做相應(yīng)優(yōu)化時(shí)，可能造成終端天線在位狀態(tài)的誤判，從而影響設(shè)備正常的通信工作。本文在駐波比的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方面給出了具體的建議，對(duì)類(lèi)似駐波比問(wèn)題的分析與解決有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]姜海玲.復(fù)雜電磁環(huán)境下射頻前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程,2013,43(7):32-34,40.

[2]王智，陳寶林.基于VEE的射頻模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2014,44(6)：77-80.

[3]高飛，張曉平，曹必松，等.CDMA-800MHz頻段低溫低駐波比放大電路設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào)2005,33(9)：1 626-1 628.

[4]李鵬，張丹，馬紅梅.模擬濾波器群時(shí)延及駐波比的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),2012(6):50-53.

[5]梅立榮，張乃柏，馬延爽，等.一種C波段寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].無(wú)線電通信技術(shù),2014,40(4):64-66.

[6]劉淼.一種方向圖可重構(gòu)的槽縫天線的設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2014(30):180-183.

[7]屈揚(yáng).溫度對(duì)微波T/R組件中關(guān)鍵器件電性能的影響分析[D].西安：西安電子科技大學(xué),2014.

[8]宋江柱.射頻同軸開(kāi)關(guān)熱特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[9]REINHOLD L,PAVEL B.RF Circuit Design:Theory and Applications[M].Pearson Education,2000.

劉淼女，(1983—)，碩士，講師。主要研究方向：射頻通信電路、可重構(gòu)天線等。

Theoretical Analysis of Influence of Environment

Temperature on VSWR

LIU Miao

(TianjinElectronicInformationVocationalTechnologyCollege,Tianjin300350,China)

AbstractThe standing wave ratio detection function has generally realized on present design of radio frequency communication board.Under high and low temperature environment,the standing wave ratio detection is changed compared with normal condition.If the board is not designed well,the change will lead to wrong estimation of antenna status,and then the board will work unmorally.An inservice radio frequency communication board is used for example.This paper analyzes the mechanisms in detail which shows how standing wave ratio is influenced by temperature,microstrip line characteristic impedance and microstrip line electrical length.This paper provides theoretical design basis for board with function of standing wave ratio detection.

Key wordsvoltage standing wave ratio (VSWR);environment temperature;characteristic impedance;electrical length

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-03-07

中圖分類(lèi)號(hào)TN702

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)06-0067-00

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.18

引用格式：劉淼.環(huán)境溫度對(duì)電壓駐波比影響的理論分析[J].無(wú)線電工程，2015，45(6)：67-69，73.