自动天线调谐节省功耗

2006-06-05 14:42:16来源: 电子系统设计
近年来出现了越来越多的工作于ISM频段的短距离、免许可无线应用,包括无匙门禁(keyless entry)、轮胎压力监测、车门开启、无线耳机、无线鼠标和键盘和无线局域网(WLAN)。然而,在这些应用中,仅有极少数是利用少量外部元件的低成本解决方案,它们通常采用离散的单极天线而非板上印刷天线,从而增大了最终产品的成本与大小。

典型的情况,这些解决方案中的IC工作于小型电池供电的移动手持设备。结果是,发射器的功耗变得十分关键。在大多数应用中,所希望的工作距离在10m的数量级。所要求的等效辐射功率(ERP)低于-25dBm,即使是使用了相应噪声的接收器(例如敏感度低于-90dBm)。

天线要求达到此ERP值所需的功率取决于天线益增和阻抗匹配网络的损耗(如果需要)。在低阻抗天线的情况下,需要具有较低同步压摆的高驱动器电流。利用高阻抗天线,较低的驱动器电流就足够了。利用集电极开路型电路,可以实现高电阻输出级,从而达到更高的效率。

表中给出了434MHz小型单极天线、四分之一波长单极天线和小型环形天线的比较。由于效率很高(~90%),单极天线增益大约比小型环形天线高10dB (~10%)。然而,小型单极天线所要求的电感增加了成本,还大大降低了效率。在电感系数Q分别为100和400的情况下,效率降低至5%和18% (l = 0.05l) 。此外,天线调谐阻抗接近于驱动器的输入阻抗(通常,此驱动器为射极跟随器)。这样,只有一半的驱动器功率用于天线。

利用环形天线,芯片的电容性输出阻抗可被用于调谐天线。芯片输出电路的Q值通常约为环形天线Q值的一半。所以只有33%的驱动器输出电流流入天线(正常情况下,驱动器有为集电极开路输出)。

通过采用抽头式(tapped)环形天线可以进一步改进。于是,天线Q值约等于或低于芯片输出电路的Q值。因此,很大部分驱动器电流(50%或更大)流至天线。由于具有更大的孔径尺寸,抽头式环形天线同样具有更高的增益。表的第二行显示了在实际情况下,环形天线的增益甚至比小型单极天线的增益更好。第六行显示了利用小型单极天线达到-25dBm ERP所需的电流数量级更高。环形天线和四分之一单极天线要求大约同样的电流。但是环形天线不那么昂贵,也更小,而且对所谓的“(人)手效应”更敏感。环形天线与H场交互作用,与E场相比,受人体的影响更小。如果方位正确,保持天线平面垂直于天线体表面,可以看到天线增益提高。

由于其高增益,环形天线要求有自动调谐机制。在不同环境(温度、由于手效应而去调谐等)下,这种机制能保持功率最大,它还将补偿扩频的影响。

本文描述了工作于315MHz、434MHz、868MHz和915MHz ISM频段的发射器芯片的自动天线调谐解决方案。该发射器的高速率和高分辨率合成器决定了具有片上晶体控制参考精度的输出频率(图1)。借助于其高分辨率,多信道可被用于任何频段。此外,快速开关允许发射器以相位锁定环(PLL)自身进行FSK调制。它不要求任何额外的调制电路。可以进行不同的选择以适应各种带宽、数据速率和晶振公差要求。

带有集成的天线调谐电路的功率放大器有一个开路集电极差分输出(表示为RFP和RFN)。该输出可直接以可编程输出驱动环形天线。发射器支持EEPROM或微控制器工作模式。在EEPROM模式下,所有将被发射的所需控制字和数据通过按动按钮由EEPROM读出。该按钮连接于任意由SW1-4表示的唤醒(wake-up)输入。

图2显示了天线调谐回路的框图。其主要目标是将输出块的谐振频率调谐至发射信号的频率。输出块的谐振频率包括环形天线、电容组、封装和引脚寄生电容以及和电路寄生电容。输出块可以由平行RLC谐振电路来模拟。在谐振时可以观察到驱动器集电极电流和输出集电极差分电压之间有180°的相移。集电极电流和基极电压之间的相移一致。因此,可将基极电压的相位与集电极电流的相位进行比较。两个相移被调制为在宽频带(300~1000MHz)的相位特性具有90°相差。

比较器对混合输出误差电压的直流分量进行监视。为了降低误差电压,改变电容组的4位控制字的状态。整个过程需要6.4μs时间。它连续工作以纠正环境变化(人手效应等)。为了防止振荡,向上计数比较器和向下计数比较器电平之差必须比任何相邻电容组状态之间的最大误差电压更高。通常,天线尺寸设计使其具有接近于在计数器状态7时的工作频率。因而,在重置中每次开启时,计数器被调谐为状态7。连接至集电极的相移器包括输入的限制器。去谐或有意改变RF功率都会引起这些变化。

当功率低于限制器的工作范围,输出功率达到极低。一般情况下,这会在强去谐过程中产生压降。为避免在如此低功率下的操作无序,电平探测器关闭调谐并将计数器设置为状态7。相移器和限制器被集成在Gilbert单元混频器中。

在这一阶段,必须消除寄生布局电容中的任何偏移和不对称,因而需要具有交叉连接晶体管对的对称布局结构。图3显示了带有驱动器和转接片的天线调谐电路中的模拟部分。总占用面积为0.36平方毫米。在左中侧,可以发现1-2-4-8电容组比率。电容组位于两个输出焊盘之间。

在不同供电电压和输出电压水平的所有频段,对调谐环路进行测量。测量由HP E4402B频谱分析仪和85024A高频探测进行。此外,由外部发生器取代了内部10MHz振荡器,以进行宽带测量。通过改变发生器的频率来改变PLL的输出频率。

图4显示了用5×7.2mm天线测量的调谐曲线。它在0.5mm厚FR4基座上具有1mm行宽(strip width)。对于正向和反转曲线,频率分别从所研究频段的较低和较高一侧开始。除了极端失谐(超过940MHz,在状态0甚至都无法达到谐振)的情况下,芯片成功地达到最大输出功率。由于自动调谐总是将谐振调谐至工作频率,可以有16种不同电容组状态。

该芯片很容易利用同样的天线处理868MHz和915MHz ISM频段。可以想像它还有可能以868MHz 和915MHz ISM频段进行多频段工作。(对于315/433MHz ISM频段也可能进行同样的双频段工作。)

图5显示了由一个微控制器进行控制的434MHz应用电路的一种可能布局。这种布局达到了芯片所允许的最小BOM成本要求。(天线中的开关和SMD电阻器可选,它们只作测试用途)

对于工作于ISM频段、带有合适尺寸天线的EEPROM模式发射器来说,它还需要几个元件(图6)。所要求的外部元件为EEPROM、晶体、开关、LED+电阻器(可选)和3个SMD电容器。这样就得到了一个低成本发射器。

如上所示,可以顺利得到一个完全集成的自动天线调谐电路。所展示的电路使连接到小型环形天线的辐射功率最大,因此提高了发射器芯片的功率效率。该电路的工作频率范围很广,它允许使用工作于868/915MHz或者315/433MHz ISM频段的双频段天线。

关键字:ISM  无线  移动

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