2.4G ZigBee模塊設(shè)計(jì)的信號完整性仿真技術(shù)應(yīng)用

自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展。而當(dāng)前被廣泛研究的ZigBee 技術(shù)則正是一種為人們提供廉價(jià)的、極低復(fù)雜度、低成本和低功耗的低速率無線通信技術(shù)。這種無線技術(shù)具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好、安全性能高、成本低和時延短等特點(diǎn)受到廣泛歡迎。

ZigBee 名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag 形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為該技術(shù)的名稱。ZigBee 過去又稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，現(xiàn)統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。目前ZigBee技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如智能家居、煤礦監(jiān)控、電梯物聯(lián)網(wǎng)等，ZigBee電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

ZigBee 兼容的產(chǎn)品工作在IEEE802.15.4 的PHY 上，其頻段是免費(fèi)開放的，分別為2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。本文研究的技術(shù)采用的ZigBee產(chǎn)品工作頻段為2.4GHz，該頻段比傳統(tǒng)信號傳輸速度高出許多倍，因此板卡的設(shè)計(jì)要求也復(fù)雜很多。采用傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是無法滿足該射頻板的要求，我們需要采用針對射頻電路板的新技術(shù)--信號完整性仿真技術(shù)。

1微帶線阻抗匹配仿真與計(jì)算

1.1特征阻抗定義

對于高速電路來講，當(dāng)我們討論傳輸線時，不僅要考慮由于高速信號而引入的新的頻率因素，還要考慮由于高速信號傳輸而形成的不同的電路結(jié)構(gòu)。理論上講，傳輸線是由傳輸信號的信號線，即圖中的微帶線A，和該信號構(gòu)成參考回流路徑構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)，是由傳輸線上的信號特征決定的，再次強(qiáng)調(diào)，我們討論的不是導(dǎo)線上直流穩(wěn)態(tài)的靜電場分析，我們面臨的問題是在高速信號傳輸過程中瞬時電磁場的交替建立過程。所以，請?zhí)貏e注意，能夠?yàn)樾盘柧€提供回流路徑的不僅僅是通常意義的地平面，任何能夠和信號線之間建立電磁場聯(lián)系的導(dǎo)體，都能夠和信號線之間建立傳輸線。而我們研究的對象是所有這些傳輸線結(jié)構(gòu)中，能夠最有效提供回流路徑的那對傳輸線結(jié)構(gòu)。正如下圖中所示的那樣，對于高速信號的傳輸線，其能量的傳播是依靠電磁場在傳輸介質(zhì)上的交替變化完成的，那么它的傳輸路徑包含了：微帶線本身、回流路徑、以及微帶線和回流路徑之間的介質(zhì)。所以，對于一個特定的傳輸線而言，信號線和回流路徑之間構(gòu)成的是一個雙端口網(wǎng)絡(luò)。而其阻抗，即是構(gòu)成等效電路的各個因素的綜合結(jié)果。

當(dāng)理解了這樣的信號傳輸結(jié)構(gòu)之后，就不難理解分辨?zhèn)鬏斁€阻抗和電阻的區(qū)別了。當(dāng)談到傳輸線的阻抗時，是絕對不能用導(dǎo)體A的電阻來替代的，它實(shí)質(zhì)是在該傳輸介質(zhì)中某一點(diǎn)上所建立的電場及流經(jīng)該點(diǎn)的電流之間的關(guān)系，所構(gòu)成的傳輸介質(zhì)上的電場。因此談到傳輸線的阻抗，讀者一定要建立起“兩個導(dǎo)體”的結(jié)構(gòu)概念，而不僅僅是那個顯而易見的微帶線A。缺少了參考回流路徑，單一的微帶線A是無法建立電場的。

當(dāng)信號在傳輸線上傳輸時，每向前傳輸一個最小單元的等效電路，都要在所經(jīng)過的路徑上建立相應(yīng)的電磁場，并且有一定的電流流經(jīng)等效電路。這個最小單元的等效電路構(gòu)成的阻抗，相對傳輸線來講，就是此時此刻的瞬時阻抗。如果信號在此傳輸線上傳輸時，每個瞬時阻抗都完全一致，那么就將瞬時阻抗定義為該傳輸線的特征阻抗。

1.2微帶線概念

在PCB中，微帶線是一種用電介質(zhì)將導(dǎo)線與接地面隔開的傳輸線。印制跡線的厚度、寬度和跡線與接地面間介質(zhì)的厚度，以及電介質(zhì)的介電常數(shù)，決定微帶線的特征阻抗的大小。

微帶線的幾何結(jié)構(gòu)如圖-1所示，導(dǎo)帶的寬度W印在薄的接地的介質(zhì)基片上。

圖-1

W1和W2：傳輸線上下表面寬度;

T1：傳輸線的銅厚，如一盎司;

H1：介質(zhì)的厚度;

底面銅皮為傳輸線的參考平面，可為地平面也可以是電源平面。

根據(jù)“IPC-2141”規(guī)范，推薦的使用的微帶線參數(shù)計(jì)算公式如下：公式-1

微帶線特征阻抗計(jì)算公式：

Z0 ={87/［sqrt（Er+1.41）］}*ln［5.98H/（0.8W+T）］ 公式-1

其中，W為線寬，T為走線的銅皮厚度，H為走線到參考平面的距離，Er是PCB板材質(zhì)的介電常數(shù)。此公式必須在0.1《（W/H）《2.0，并且1《（Er）《15。

微帶線的寬度W越大，微帶線的特征阻抗Z0就越低。近似公式在微帶線寬度W遠(yuǎn)大于介質(zhì)厚度t時的精度較高，否則就需要加以修正。當(dāng)W與t相當(dāng)時，誤差約為百分之幾到百分之十幾。其中微帶線的寬度W遠(yuǎn)大于介質(zhì)厚度t也正是當(dāng)前PCB工藝所能實(shí)現(xiàn)的。

但對于PCB設(shè)計(jì)工程師來說，要控制PCB微帶線的特征阻抗，如果依靠上述公式計(jì)算非常不方便。在前些年，沒有專業(yè)的特征阻抗仿真軟件，當(dāng)PCB需要做阻抗匹配時工程師要花費(fèi)很多時間來計(jì)算微帶線的模型。后來POLAR SI8000軟件的誕生給阻抗匹配計(jì)算帶來了巨大的便利，目前全球大約有一半以上的PCB廠家都采用該軟件計(jì)算PCB傳輸線的特征阻抗。該軟件不僅使用簡單，阻抗匹配精度高，軟件提供了多種PCB傳輸線的模型。本文僅介紹如何用SI8000設(shè)計(jì)ZigBee模塊微帶線的特征阻。

因ZigBee射頻信號傳輸線的模型為微帶線，并且特征阻抗為50歐姆，根據(jù)PCB廠家的實(shí)際工藝要求，如果銅的厚度為1盎司，只需通過SI8000軟件計(jì)算出該微帶線的寬度即可控制該微帶線的特征阻抗。

具體步驟：運(yùn)行SI8000軟件，界面如下圖-2所示，選擇微帶線的模型為：Surface Microstrip 1B。第一層到第二層的厚度H1為4.5mil，微帶線的上下線寬相差（W1-W2）1mil，上表面線寬設(shè)為7mil，則下表面線寬8mil，介電參數(shù)為4.2，銅厚為1盎司，計(jì)算出來微帶線特征阻抗正好為51歐姆，滿足±10%的誤差要求。

圖-2

2 射頻輸出微帶線特征阻抗為何要匹配

在高頻信號傳輸途徑，特征阻抗必須始終保持一致，一旦傳輸途徑的特征阻抗有突變，就會因阻抗突變引起的信號完整性問題。典型的信號完整性問題就是信號反射、信號過沖，更嚴(yán)重會引起振鈴。表現(xiàn)出的問題為信號傳輸波形發(fā)生扭曲、信號邊沿出現(xiàn)過沖、信號輸出功率變小、EMI輻射超標(biāo)等問題。下面我們通過Hyper Lynx信號完整性仿真軟件，介紹2.4G射頻板阻抗不匹配引起的幾種問題。

Hyper Lynx仿真軟件是PADS公司開發(fā)的一款信號完整性仿真軟件，該軟件主要用于高速電路設(shè)計(jì)的仿真與應(yīng)用。該軟件可以仿真信號傳輸線的特征阻抗、傳輸線EMI輻射、傳輸線磁場分布情況、傳輸線時序等很多問題，該軟件為高速電路設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。

本人在設(shè)計(jì)2.4G ZIGBEE模塊時，第一版因射頻輸出線特征阻抗沒有計(jì)算好，導(dǎo)致該模塊輸出功率偏小，EMI輻射超標(biāo)且模塊的接收靈敏度較低。第一版模塊如下圖-3所示

圖-3

2.1阻抗不匹配導(dǎo)致射頻信號輸出功率變小

利用Hyper Lynx仿真軟件計(jì)算圖-3模塊的射頻傳輸線，特征阻抗值為16.5歐姆，如下圖-4，

圖-4

通過圖-4可以得知，該傳輸線的特征阻抗的實(shí)際值和理論值偏離過大，導(dǎo)致射頻信號輸出時引起信號完整性問題，最直觀的表現(xiàn)就是輸出功率偏小。理論值為21DBm，實(shí)際值為18DBm，也就是說這根傳輸線上損失功率為3DBm。為了驗(yàn)證我們的分析是否正確，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量PCB板的射頻傳輸線的損耗值。經(jīng)測量，該值為2.95DBm，剛好符合分析結(jié)果。

2.2阻抗不匹配導(dǎo)致射頻板接收靈敏度降低

我們再對該板卡做接收靈敏度測量，經(jīng)測量，該板卡接收靈敏度，比市場上其他公司設(shè)計(jì)的模塊的接收靈敏度低。該模塊采用的運(yùn)放的接收靈敏度值為-115DBm，而實(shí)際測量下來只有-107DBm。初步分析，可能是因傳輸線的阻抗不連續(xù)、阻抗突變引起的信號波形失真，最終導(dǎo)致接收靈敏度降低。只要通過支持2.4GHz的示波器看一下該板子的實(shí)際輸出波形即可，如果信號有失真，則分析的結(jié)果就沒有問題。但是，目前很少能找到速度超過1GHz的示波器，要找到2.4GHz的示波器就更難了。不過雖然2.4GHz的示波器實(shí)物不好找，我們可以通過仿真軟件來驗(yàn)證該問題。

Hyper Lynx仿真軟件有個高速示波器仿真功能，通過該軟件，可以對該傳輸線在2.4G頻段的信號進(jìn)行波形仿真，結(jié)果如圖-5所示，紅線為理論輸出波形，綠線為實(shí)際輸出波形，不難發(fā)現(xiàn)該波形有明顯的震蕩，和我們預(yù)期的分析結(jié)果相符合。

圖-5

2.3阻抗不匹配導(dǎo)致射頻板EMI輻射超標(biāo)

同樣，對該板子做EMI輻射測試，發(fā)現(xiàn)該板子的EMI輻射在2.4GHz到5GHz的范圍超過CE標(biāo)準(zhǔn)。通過Hyper Lynx仿真軟件的虛擬頻譜分析儀仿真結(jié)果如下圖-6所示。

圖-6

圖中黃色凸起代表EMI輻射在不同頻段的分量，很明顯EMI輻射從2.4G開始一直到10GHz都很強(qiáng)。

綜上所述，因特殊阻抗不匹配，導(dǎo)致第一版2.4GHz射頻板存在以下三個問題：

1、輸出功率小;

2、接收靈敏度低;

3、EMI輻射超出CE標(biāo)準(zhǔn)。

重新計(jì)算好傳輸線特征阻抗，改版后的特征阻抗如下圖-7所示，特征阻抗值為50.8歐姆。

圖-7

板子傳輸線的波形仿真如下圖-8所示，實(shí)際輸出波形幾乎和理論波形相同。

圖-8

再對板子進(jìn)行EMI輻射仿真，結(jié)果如圖-9所示，新板子在10GHz范圍內(nèi)EMI輻射幾乎看不到。

圖-9

經(jīng)過測量，改版后的射頻板的輸出功率大于20DBm，接收靈敏度也比之前板子的高，EMI輻射也滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 微帶線特征阻抗為何要滿足50歐姆

ZigBee射頻PA輸出的特征阻抗為50歐姆，天線的特征阻抗也為50歐姆，此時只有傳輸線的特征阻抗為50歐姆時，信號輸出功率最大，并且產(chǎn)生的信號完整性問題也最少。

4 結(jié)束語

眾所周知，ZigBee無線射頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，但2.4G ZigBee射頻板設(shè)計(jì)難度相對要高，需要注意的問題也比較多，因此在一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。如果在設(shè)計(jì)的過程中能夠掌握一些好的仿真工具，這樣可以提高設(shè)計(jì)的效率，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，從而減少產(chǎn)品的開發(fā)周期，最終達(dá)到減少開發(fā)費(fèi)用的目的。Hyper Lynx仿真軟件的推出給高速電路設(shè)計(jì)帶來了很大的便利，通過該軟件可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，可以在PCB設(shè)計(jì)就能得知電路板存在的許多EMC問題，提前預(yù)防產(chǎn)品存在的風(fēng)險(xiǎn)。