在PCB设计总经常遇到添加无线功能的需求,这里我们以GPS模块来讲解。
有源或无源GPS天线的目标是什么?
“有源天线”具有内置的低噪声放大器(LNA),通常会通过同轴电缆(在机箱内部或外部)连接到主印刷电路板(PCB),而无源天线设计没有LNA通常安装在天线元件上,通常直接安装在PCB上。
“无源天线”设计更加复杂,如果未与PCB上的其他产生噪声的组件正确隔离,则它们很容易受到噪声耦合到天线接地层的影响。无源天线的设计也可能使测试变得复杂,因为需要设置和校准RF室,再辐射天线和GPSinterwetten与威廉的赔率体系 器,以获得一致的测试结果。
你需要哪种类型的天线元件?贴片,线性,芯片还是其他?
通常,尺寸为15至25mm的贴片天线(至少侧面为40mm)将在便携式设备中提供较好性能,但这对于你的应用而言可能太大。这可能会迫使你查看较小的天线拓扑,例如线性或芯片天线。
但是,在芯片和贴片天线之间进行选择时要注意一件事。贴片天线将在其各个侧面接收信号,因此在其尺寸方面将提供较好的信号性能。线性GPS天线(芯片或偶极子)通常仅沿其轴之一接收信号。这导致线性天线设计的灵敏度至少比贴片天线高一半(即–3 dB左右),并且大多数灵敏度可能约为贴片天线的25%(即–6 dB)左右。
一些较新的芯片和F折叠设计在这一领域显示出一定的希望。但是,一般使用你选择的GPS芯片组或模块制造商提供的评估套件,使用各种天线拓扑来评估你的GPS灵敏度需求,以确定最适合你的设计要求的评估套件。
如果天线设计不是你的专长,请考虑使用有源芯片或贴片天线模块。这些单元提供了经过测试的天线模块,同时允许设计人员通过U.FL型连接器实现简单的GPS模拟器测试接口。
无论选择哪种天线设计,都还需要评估天线与外壳的间距,以消除天线失谐的影响。制造商可以调整贴片天线,以解决贴片天线附近塑料外壳的失谐影响,但这可能会增加设计成本。另一种选择是选择带宽更大的天线,这通常意味着天线更高。
因此,你最终决定设计一个GPS芯片组解决方案,并选择了天线拓扑。下一步是什么?首先,了解GPS信号强度可能会有所帮助。在信号方面,GPS传输(在地面上)的大信号强度约为–160 dBW(或–130 dBm),在大多数接收器设计中,它将比接收器的RF本底噪声低约20 dB。
频谱分析仪和其他通用RF设备将不会检测到此信号。实际上,GPS接收器RF前端永远不会有可跟踪,探测或捕获的模拟信号。检测GPS信号存在的唯一实用方法是通过GPS接收器本身的相关过程。结果,所有GPS测试和性能指标都将包含来自GPS接收器的信号数据,这是测试过程不可或缺的一部分。
开始设计
此时,你可能已经从GPS芯片组供应商那里获得了参考设计,并且希望复制它的成功。在设计规则的思想工具箱中根深蒂固的第一个概念是:GPS信号低于本底噪声!重复一遍又一遍。
对于GPS接收器而言,通过电磁兼容性(EMC)测试的“安静”设计可能不会那么安静。在这个水平上,世界充满了数字噪声,因此一开始较好的设计策略是“隔离”。它不能保证无噪音的设计,但是应该为你提供一个良好的开端。
图1详细描述了简化的GPS接收器原理图和布局,包括RF输入(包括有源天线供电),LNA,一组匹配组件,表面声波(SAW)滤波器,隔直电容,温度控制晶体振荡器(TCXO)和GPS RF芯片本身,都在RF屏蔽罩的保护下(稍后会详细介绍)。
图1
对于接地平面布局,你将需要将GPS接收器部分(或GPS射频前端,如果是两芯片解决方案)隔离到其自己的RF接地平面,该RF接地点在单个点连接到数字部分。这也是连接时钟和数据线的首先选择区域。然后,你将需要控制流入和流出GPS部分的电流。
通常,插入时钟和数据路径中的串联电阻可以控制电流。串联电阻极大程度地减小了信号改变状态时出现的瞬时电流尖峰。另一个设计规则是要记住,接地是信号路径上传递的能量的返回路径。接地路径应始终与信号路径相等或更大。
另外,你将需要在单独的走线上(而不是在电源平面上)跟踪GPS部分的电源。该规则的原因是,当电源层和接地层相互叠置时,它们将用PCB材料作为电介质来制造平板电容器。
电源平面上的任何噪声都将直接耦合到接地平面,从而产生噪声。你可能还需要考虑在数字设计部分的其余部分中使用这种方法,因为某些数字噪声可能会通过单点接地连接到达GPS RF部分。
带状线,过孔和走线阻抗控制
在完成元件放置并定义并隔离了接地平面之后,你将需要运行数字,RF和接地回路走线。对于RF信号路径,你需要将阻抗设置为50。这是否意味着你需要阻抗控制的PCB?不必要。
如果你的PCB制造商允许你设置平面间距(或定义逐个批次保证的层间距),则可以自己控制。给定基于FR4的PCB材料,必要的走线宽度可以显示为层间距的函数。
这些阻抗是使用“典型”阻燃剂4(FR4)介电常数4.5来计算的。或者,你可以采用简单的方法,并使用许多在线阻抗计算器之一来进行计算。
你仍将需要PCB介电常数值来计算走线宽度。由于FR4通常在4.3到4.7之间运行,因此在大多数情况下,数值4.5都可以使用,但是你应该向PCB制造商进行验证。1盎司铜的走线厚度通常约为35 µm,0.5盎司铜的走线厚度通常约为17 µm(对于内层而言通常如此)。
在运行射频走线时,你还需要考虑通孔对走线阻抗的影响。在GPS频率下,每个通孔都充当一个小的电感器,最终结果是每个通孔会给你的走线增加大约10Ω的阻抗。如果在RF路径中使用两个过孔(例如,一个向下通到一个内层,然后一个向下通到一个元件焊盘),则会增加20Ω的阻抗失配。
为避免这种情况,请将所有RF迹线保留在PCB的顶层(图1)。未直接连接到顶层接地回路的射频接地将需要多个通孔。(请记住,并联添加电感器时会降低电感。)可以通过单个过孔实现电源接地(例如,去耦电容),但去耦组件应尽可能靠近具有直接连接的顶层走线的组件。
此时的另一个重要注意事项是,制作基于FR4的0.25波天线元件(在GPS频率下)仅需要大约0.9英寸的走线长度,因此任何长接地线都需要通过每个过孔来“短路” 0.2英寸左右,以防止它们在GPS频率下谐振。你还应该尝试将所有组件首尾相连,并尽可能避免走线。
关键零件
LNA是GPS接收器的第一级,需要低噪声电源才能正常工作。保证低噪声的最简单方法是为RF提供自己的低压降稳压器(LDO)。
最常见的LDO的噪声抑制在50至70 dB附近,价格通常在30美分以下,因此非常值得。如果参考设计中还没有噪声,则还需要在LNA和RF电源之间添加一些噪声隔离(电感和电容)。这样可以保护LNA免受其余RF中VCO引起的(压控振荡器)噪声的影响。
在大多数环境中,SAW滤波器也是必需的。遵循参考设计中的匹配组件准则,或者从SAW筛选器提供商那里获取匹配详细信息。尝试通过SAW滤波器的主体保持接地连接(即,不要在SAW下方断开地面)。
TCXO是快速定位时间(TTFF)的要求,并且初始公差至少应为2.5 ppm。对于GPS操作,这些振荡器需要在1 Hz时域内超稳定-每秒1 ppb!
由于其短期稳定性会受到快速热变化的影响,因此应保护TCXO免受快速变化的热瞬态的影响。(在这里可以使用屏蔽罩;请参阅下文。)要满足这些要求,你需要与合格的GPS TCXO提供商合作。通用TCXO在这里不起作用。市场上有各种供应商,包括Rakon,Kyocera和ECS。
如上所述,屏蔽可能是使TCXO与瞬态热条件隔离所必需的。发热组件(例如稳压器和功率晶体管)应放置在屏蔽罩的外部。诸如开关调节器,高速振荡器(GPS TCXO本身除外)和快速开关电路之类的产生噪声的组件也应放置在屏蔽罩之外,并且通常应远离RF部分。
在VHF和UHF RF屏蔽中,将屏蔽罩的所有点都连接到PCB的接地层是很常见的。这在GPS频率上可能是一个错误,因为GPS信号的露天波长比UHF短得多。根据屏蔽罩的尺寸,如果有电流流过该屏蔽罩,则屏蔽罩将能够在GPS频率附近产生谐振,从而导致GPS RF受到干扰或失谐。
避免这种情况的简单方法是创建一个与屏蔽罩连接的屏蔽“环”,然后在单个点通过一个电感器将该环连接至RF接地。电感器过滤掉任何由EMI引起的(电磁干扰)电流,而单点连接则防止电流流过屏蔽罩(以及由此产生的任何谐振)。
噪声控制(系统中的其他位置)
如果你在电路板上的其他地方碰巧有嘈杂的组件,那么设计干净的GPS部分是不够的。你还需要查看其他组件正在使用的边沿速率,时钟和频率。某些频率仅适用于板载GPS接收器。
常见的干扰频率包括4 MHz(通常是IF干扰源)和19.2 MHz。(倍数直接落在1575.42 MHz上。)如果主微型振荡器在19.2 MHz的振荡器上运行,请查看是否可以更改为24、25或26 MHz,这通常不会产生干扰。如果它是合适的频率,也可以在GPS时钟之外运行主麦克风。
最后,你需要寻找电阻帽传输线终端,该终端将一个低欧姆电阻(《100Ω)与一个帽串联到地,以控制阻抗并减少瞬变(图3a)。
图3
这种方法的问题在于,开关能量通过电容器直接倾倒到接地层中。这些电流尖峰会在接地层上产生噪声,并会产生干扰谐波。
更好的方法是计算所讨论网络上输入的电容,然后串联插入一个电阻器以设置边沿速率(图3b)。
要计算边缘速率,可以使用RC充电曲线。但是为了简化起见,我将给出一个10%/ 90%切换点的近似方程式:
R = 3t / C
例如,假设我们需要一个10%/ 90%的开关点,且时钟线在10 MHz(周期为100 ns)下的上升/下降时间为10 ns,IC输入负载电容为10 pF。替换值,我们有:
R = 3t / C
要么:R = 3x10 –8 / 1x10 –11 或:3kΩ
如果你习惯于标准的RC端接方法,则电阻可能看起来过高,但请尝试一下。结果,你将获得更安静的板!因此,总而言之,请遵循并查看这些设计规则,你将在下一个项目中实现GPS设计方面有一个良好的开端。
编辑:hfy
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