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Tune Matching 的方法有許多,有利用單獨供電給 PA,直接在 Active 情況下 Tune Matching 的方式[1],但是這方法要有兩個條件 :
1. 能够正常通话
2. 能进入非信令模式
然而 Tune Matching 的工作,多半都是在第一版 PCB 就要完成(因為第二版 PCB 就要直接送認證),但是依個人經驗,通常第一版 PCB,軟體可能尚未 Ready, 正常通話 ? 进入非信令模式 ? 再等等唄。
因此個人較偏好利用 Passive 方式 Tune Matching,你只要有板子就能進行,不必等到軟體 Ready。
由於 GSM ?? WCDMA 是手機的核心,故個人以這兩個功能的 Tx/Rx Matching 來 做說明。
基本原理 :
最理想情況,當然是希望 Source 端的輸出阻抗為 50 歐姆,傳輸線的阻抗為 50歐姆,Load 端的輸入阻抗也是 50 歐姆,一路 50 歐姆下去,這是最理想的。
但是,板廠的製程,在 Trace 的線寬,以及對地間距,一定會有誤差,這導致 Trace 的阻抗,未必是 50 歐姆,所以要靠Matching 把阻抗 Tune 到 50 歐姆。所 以通常就算對於阻抗控制再有信心,也會留 Dummy pad,以備不時之需。
Matching 步驟 :
先把落地元件拔掉,串聯元件用 0 歐姆電阻,目的是要知道 PCB Trace 最原始的 阻抗為多少,接下來才能利用 Smith Chart ?? Matching 元件,把阻抗 Tune 到 50 歐姆。
Q. 我可以直接用焊錫 Short,來代替 0 歐姆電阻嗎 ? 這樣比較省事。
答案是不行,因為雖然以電路觀點,都是 Short,但是以高頻觀點,利用焊錫這種 Distributed 方式,會有寄生效應,連帶使得你量出來的阻抗會不準。
零件換好後,先把網路分析儀做校正,再將銅管作 Port extension,如此便可 開始量阻抗。
我們發現 PCB Trace 最原始的負載阻抗為(40.6-13j)歐姆,接下來就是利用 Smith Chart,將負載阻抗 Tune 到 50 歐姆。
也就是要把負載阻抗,依序透過 Z1, Z2, Z3,把阻抗由(40.6-13j)歐姆,Tune 成 50 歐姆。
首先要把阻抗,弄到通過 50 歐姆的 Z-plane/Y-Plane 圓周上,也就是下圖兩個藍 色圈圈的圓周上,
而下圖是串電感、串電容、並電感、並電容的軌跡。
因為 Z1 是落地元件,所以透過並聯方式,將阻抗弄到通過 50 歐姆的 Z-plane/Y-Plane 圓周上。
但是我們發現,不管是並電感,
或是並電容,
其阻抗都跑不到我們要的圓周上,因此 Z1 就直接 Dummy。依此類推,若往後 遇到 T 型 Matching,Z1 為串聯元件,但串電容??串電感都跑不到我們要的圓周 上時,這時 Z1 就放 0 歐姆。
而 Z2 是串聯元件,利用串 9.8nH 的電感,將阻抗弄到了我們要的圓周上,此時 阻抗為(40.4 + 19.3j)歐姆。
最後 Z3 又是落地元件,因此並一個 3.1pF 的電容,使阻抗跑到(49.7 + 0j)歐姆。
因此我們利用串 9.8nH,並 3.1pF 的組合,將負載阻抗由原始的(40.6-13j)歐姆, Tune 成了 49.7 歐姆。
Q. 如果我阻抗控制作的相當好,不需任何 Matching 元件就有 50 歐姆,我可以 在下一版 PCB 拿掉這些 Matching 元件嗎 ?
答案當然是可以,好處有三:
1. 減少零件,便可 Cost Down
2. 減少零件,降低 SMT issue 的風險
3. 減少零件,降低 Insertion Loss
第 3 點對於 GPS 尤其重要,我們由 Noise Figure 的公式 :
發現 GPS LNA 前的 Noise Figure,幾乎決定了整體電路的 Noise Figure。
換句話說,若 LNA 前的 Noise Figure 不好,那麼 C/N 值?? Sensitivity,注定不會 好,因此要想辦法將 LNA 前的 Loss 降到最低。而 Loss 來源有二 :
1. Mismatch Loss
2. Insertion Loss
若阻抗控制得相當好,等同於幾乎沒有 Mismatch Loss,若能將這些 Passive 的 Matching 元件拿掉,便可更進一步降低 Insertion Loss。即便是 0 歐姆電阻,仍 有些微的 Insertion Loss,更何況 GPS 接收的是-150 dBm 極微弱的訊號,些微的 Insertion Loss,對於 C/N 值?? Sensitivity,已有相當的影響。因此若阻抗控制作 的相當好,建議下一版 PCB 就直接用 Microstrip 連過去。
Matching 原則 :
至於 Matching 的原則,一般而言有五項 :
1. 電感/電容值,不要過小
2. 落地電容值,不要過大
3. 電感/電容值,不要過於冷門
4. 盡可能設計成 Low Pass Filter
5. 整個頻帶的阻抗軌跡盡可能收斂
電感/電容值之所以不要過小,原因是要維持 Matching 的穩定性,因為 電感/電容值會有誤差,以電容為例子,差不多會有正負 0.1pF 的誤差,如果是 一個容值為 0.3pF 的電容,則誤差高達 33%,其容值範圍為 0.2pF ~ 0.4pF,這 可能會導致每片 PCB 的 Tx/Rx Performance 不一致,進而影響工廠量產時的良率。
落地電容值之所以不要過大,是因為依照容抗公式 :
電容值越大,容抗越小,因此落地電容值過大,則反而可能會讓訊號都流到 GND。
電感/電容值,不要過於冷門,原因是方便備料,因為若是常見的值,則所有廠 家都會有,量產過程中,若 First Source 的廠家缺料,還可馬上找 Second Source 的廠家。
至於盡可能設計成 Low Pass Filter,原因是這樣可以抑制諧波。而 Low Pass Filter 的組合如下 :
第五項是最重要的原則,上述步驟,是以單一頻率點來做 Matching,但最後要 看整個頻率範圍內的 Smith Chart 軌跡,才能決定該 Matching 值可否採用。
以 DCS band 為例,Tx 頻率範圍為 1710 MHz ~ 1785 MHz,因此作 Tx Matching 時,盡可能希望 1710 MHz ~ 1785 MHz 的阻抗,都能收斂在 50 歐姆附近。
而不要像下圖一樣,Low/Mid/High Channel 的阻抗,都不相同。
因為以 Load Pull 的觀點,不同的阻抗點,會導致不同的輸出功率。阻抗相差越 多,則輸出功率也相差越多,造成輸出功率不平坦。
而以 Rx Matching 觀點而言,阻抗離 50 歐姆越遠,則 Mismatch Loss 越大,即 Sensitivity 越差,因此若無法Low/Mid/High Channel 的阻抗,都收斂在 50 歐姆 附近,則會導致 Sensitivity 不平坦。
所以 Tune Matching 時,可以先以 Mid Channel 的頻率點,作單一頻率點的 Matching,因為 Low/ High Channel,並不是每個測項都會測,但 Mid Channel 每個測項都會測,所以要先確保 Mid Channel 的阻抗有到 50 歐姆,再使Low/High Channel 的阻抗,也收斂到 50 歐姆附近。
雖然 Matching 的組合,有 L 型、T 型、π型,但 T 型/π型的阻抗收斂效果,會 比 L 型來得好,因此若 Low/High Channel 的阻抗,離 50 歐姆較遠,便可利用 T 型/π型的 Matching,把 Low/High Channel 的阻抗 Tune 到 50 歐姆。
Q. 但以上????????例子而言,一開始的 Z1 是落地元件,並不能幫我把原始負載阻抗 Tune 到 50 歐姆,因此若硬要用π型,可能 50 歐姆 Matching 的效果還不 如 L 型來得好。
這問題分兩個層??探討,
首先,雖說 T 型/π型的阻抗收斂效果,比 L 型來得好,但不是說非用不可。如 果用 L 型,其 Low/High Channel 的阻抗,已收斂到 50 歐姆附近,那當然沒必 要多增加一顆元件去做 T 型/π型。更甚至如果 Low/High Channel 的原始負載阻 抗已經很收斂,第二版 PCB 當然就如之前所說,直接 Microstrip 連過去,更沒 必要硬用 T 型/π型。
其次,如果 L 型在 Mid Channel 的 50 歐姆 Matching 效果比π型好,但 Low/High Channel 的阻抗卻不收斂,要如何在保有 L 型的 Matching 效果同時,還能進一 步讓 Low/High Channel 的阻抗收斂呢 ?
先介绍四个简单的电感/电容只串/并联公式：
接著利用上述四個公式,將 L 型拆成 T 型/π型。
在此注意電感不管是串聯還是並聯,都不要離太近,否則會因為互感,而使計算 結果變得更將複雜,且不如預期。
因此若要將
拆成π型,則會變成 :
上述講到零件值不要太冷門,因為 3.1pF 是個很冷門的值,故真正採用時,會用 3pF,因此拆成π型,就變成兩個 1.5pF。
那要如何判斷零件值冷不冷門呢,簡單的判斷準則是找沒名氣的二線小廠商,?? 他們要 Sample Kit,Sample Kit 裡??有出現的值,多半不會太冷門,可以不用擔 心備不到料的問題。
接下來,我們以 Block 的觀點,探討 GSM/WCDMA 的 Tx/Rx Matching。
GSM Tx Matching
一開始板子會有這些零件,
然後,把 ASM ?? GSM PA 拔掉。
Step1. 把Connector??ASM間的S11??S22都盡量Tune成50Ohm
因為這段是影響 GSM/WCDMA 所有 Tx ?? Rx,所以一旦有 50 Ohm,就直接 Fix 住,之後 Tune 其它 Band 或是 Rx,都不要動這段。
Q. 為啥 Connector 不用 Reference Plane ?
Ans :
原因是當 Connector 端接上 RF Cable 時,其 Connector 與後??天線彈片間是 Open 的,此即為最佳的 Reference Plane。
Step2. 再把ASM??GSMPA間的S11??S22都盡量Tune成50Ohm
Step3. 拿另一塊板子,GSM PA ?? ASM 都有 Mount 上去的,把 PA 拔掉, 再把之前 Tune 的新 Matching 值換上去,並量測 GSM PA 到 Connector 的 S21,這樣對於 PA chip out 到 Connector 會有多少 Loss,至少有個底。
WCDMA Tx Matching
一開始板子會有這些零件
因為在 GSM 階段,ASM 到 Connector 已經 Tune 到 50 Ohm,所以我們就 Fix 住, 不再去動它
然後把 WCDMA PA ?? ASM 拔掉
Step 1. 把 ASM ?? WCDMA 間的 S11 以及 S22,盡量 Tune 成 50 Ohm
Step 2. 拿另一塊板子,所有零件都有 Mount 的,把 WCDMA PA 拔掉, 並換上新的 Matching 值,然後量 WCDMA PA 到 Connector 的 S21, 這樣對於 WCDMA PA Chip output 到 Connector 有多少 Loss,至少有個 底。
Q. 為啥不是 ASM 到 Duplexer,以及 Duplexer 到 PA 分兩段作 Matching ?
Ans :
當然如果嚴謹一點,是必須這樣做。不過因為 Duplexer 本身也是 Passive 元件, 同樣也是不必等軟體 Ready,有板子就能做 Matching,因此為節省時間,就直接 ASM 到 WCDMA 做一次 Matching 即可。
除非是發現 Matching Tune 不太動,因為 Duplexer 的 input & output 各有三顆元 件,一共六顆元件,變數太多,這時就可以分段做 Matching,把變數先縮減為 三個,以加速 Matching 進度。
Q. 每個頻率點的 Load pull 都不同,為啥卻一律都 Matching 50 歐姆 ?
Ans :
因為方便省事。確實,對某些頻率點而言,50 歐姆的輸出功率未必最大,耗電 流未必最小,諧波也未必最小。
但是,仔細觀察 Load pull 會發現,50 歐姆的輸出功率、耗電流、諧波,通常也 不會差到哪裡去,就算不是最佳,也不至於差到無法接受。 除非是要對某個特性做最佳化,好比 Insertion Loss 太高 (因為 Trace 線寬太細), 希望有最大輸出功率。或是客戶對於通話時間很要求,希望有最小耗電流。又或 者是 Harmonics 的 Performance Fail,希望有最小諧波。這時就必須專程把 Load Pull Tune 到特定的阻抗值。
Q. 為啥 PA input 不做 Matching ?
Ans :
也是為了方便省事。因為 PA 的 Load Pull,理論上是由 PA 的輸出阻抗決定,?? PA 的輸入阻抗沒有關聯,就算有影響,其影響程度也是很小,遠小於 PA 的輸出 阻抗,除非在 Layout 上,PA 的 input ?? output 靠太近,相互耦合,那麼 input 就會影響輸出阻抗,而能量大的 output,也會干擾能量小的 input。
再者,以 TQM6M4068 這顆 PA 為例 [2],其 PA input 範圍為 0 dBm ~ 6 dBm, 因此即便 PA input 不做Matching,有 Mismatch Loss,但只要該 Loss 不至於讓 PA input 連低標 0 dBm 都沒有,那麼就不至於會有太大 issue。
Q. 可是當 PA Mount 上去,且處於 Active 狀態時,PA output 看出去的 Load pull 還會是 50 歐姆嗎 ? 會不會 Passive 時的 Load pull,????????真正 Active 時差很 多 ?
Ans :
坦白說,小弟並未比較過 Passive 與 Active 的 Load pull 比較,所以不知是否會 差很多,但是依小弟經驗,如果Passive 有 Tune 好,Active 時的 Performance 不至於差到哪去,就算有 Fail,也不太會是 Matching 因素。
況且,如果最後發現,該 Fail 真的與 Matching 有關,那麼再 Fine-tune 一下電感 電容值即可 (這時就直接硬 Tune 了,小弟只有在 Passive 時會看阻抗 Smith Chart,當軟體 Ready,可以 Active 時,就直接只看 Pretest 結果,Pass 就 Fix 住, Fail 就再繼續硬 Tune)。
GSM Rx Matching
一開始板子會有這些零件
前??說過了,ASM 到 Connector 的 Matching 已 Fix 住就不再動,故直接由 ASM 到 Balun 開始。
然後把 Balun ?? ASM 拔掉,
Tune 到 50 歐姆即大功告成。
WCDMA Rx Matching
一開始板子會有這些零件
然後把 Duplexer ?? ASM 拔掉,
Tune 到 50 歐姆即大功告成。
Q. Balun/Duplexer 到 Transceiver 這段不用 Tune 嗎 ?
Ans :
當然要,因為這邊的 Matching 離 Transceiver 最近,對於 Sensitivity 有很大影響。 但是 Balun/Duplexer 到 Transceiver 這段,多半都是走 Differential,
因此若要 Tune Matching,不能像之前 Single-end 一樣,要先知道如何用 VNA 看 Differential 阻抗[3],然後再Tune Matching。過程比 Single-end 來得複雜,依個 人經驗,小弟在完成 ASM 到 Balun/Duplexer 的 Passive Matching 後,接著等軟 體 Ready,便直接硬 Tune 後端 Differential 的 Matching,直接只看 Sensitivity, 若有達成目標,就 Fix 住,若沒有就繼續硬 Tune。
Reference
[1] 优化 RF3166 PA 效率之实例分析
[2] TQM6M4068 Advance Data Sheet
[3] Ordinary Vector Network Analyzers Get Differential Port Measurement Capability
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