WiFi接口開發(fā)的高級技巧

將 WiFi 接口集成到所有應(yīng)用中

對于物聯(lián)網(wǎng)而言，通過 WiFi 來連接設(shè)備非常普遍。但是高性能 WiFi 連接需要針對 RF 的電路設(shè)計，其中必須仔細考慮元件、PCB 設(shè)計和布局以及天線匹配等因素。

由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起和控制的去中心化，需要在傳感器等外圍設(shè)備中集成無線連接，從而與中央控制器進行數(shù)據(jù)通信，這對于許多開發(fā)人員而言是一個挑戰(zhàn)。無線連接的優(yōu)點很明顯：無需電隔離或布設(shè)固定線纜。需要高質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)才能確保即使在干擾嚴重的環(huán)境中也能進行安全穩(wěn)定的通信。高質(zhì)量的 WiFi 連接需要針對 RF 進行設(shè)計才能同時滿足 EMC 和信號完整性要求。

避免天線反射

WiFi 控制器以數(shù)字方式運行，它不僅會在 Tx 輸出端口產(chǎn)生需要的信號，還會產(chǎn)生諧波干擾信號。同時還有由傳輸路徑不匹配引起的干擾。理想情況下，從驅(qū)動輸出到天線的路徑阻抗應(yīng)為 50 Ω。為了降低諧波干擾和改善匹配，人們常常會對 WiFi 接口的發(fā)送和接收路徑采取一些措施，例如使用濾波器和匹配網(wǎng)絡(luò)等。

選擇適合射頻的濾波器元件

在電路中，電容、電感和電阻等元件的組合會產(chǎn)生不同的阻抗。在高于 500 MHz 的頻率范圍內(nèi)使用濾波器元件時，需要重點關(guān)注最重要的元件特性。

500 MHz 以上的射頻電容

只有某些類型的電容適用于高頻應(yīng)用，例如 WCAP-CSRF 系列（料號 885392005010）。其規(guī)格書中的電氣參數(shù)在如圖 1 所示，包括諧振頻率、ESR、直流偏置漂移和溫度漂移。這些參數(shù)也可以在在線仿真平臺“REDEXPERT”（redexpert.we-online.com）上進行仿真。  

圖1：3-pF HF 電容 WCAP-CSRF 885392005010 的電氣特性。

500 MHz 以上的射頻電感

天線匹配通常會使用不帶鐵氧體磁芯的電感，而EMI 濾波器通常會使用帶鐵氧體磁芯的電感。在電感使用了鐵氧體磁芯的情況下，必須根據(jù)阻抗曲線仔細選擇鐵氧體材料。

對于低損耗天線匹配網(wǎng)絡(luò)的濾波器或類似的射頻應(yīng)用，WE-KI 系列電感非常適合。為了實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)和高諧振頻率，這些元件使用陶瓷材料（表 1）。 

表1：SMD 電感 744761110A 的特性（數(shù)據(jù)來自規(guī)格書）

創(chuàng)建 WiFi 接口

圖 2 展示了一個帶有 WiFi 接口的 IoT 電路例子。有限功率的輻射源（如收發(fā)器）可以實現(xiàn)的無線電覆蓋范圍在很大程度上取決于天線設(shè)計、封裝和 PCB 布局。在實踐中，大多數(shù)產(chǎn)品都配備了一個收發(fā)器芯片，它結(jié)合了發(fā)送和接收功能。當然，這意味著天線匹配、饋線和天線本身都同時用于發(fā)射和接收操作。接收通道通常具有較寬的動態(tài)范圍，靈敏度 > 95 dB ，天線有 3 - 4 dB 的靈敏度降低。增益調(diào)整可以補償由于失配造成的損失。發(fā)射操作至關(guān)重要，如果天線的靈敏度降低 3 dB 或發(fā)射輸出級和天線之間的路徑上損耗增加 3 dB，就需要發(fā)射器輸出兩倍的功率。即使 Tx 芯片能夠輸出兩倍的發(fā)射功率，也會不可避免地導致高電流消耗以及發(fā)射的信號中包含更高比例的諧波干擾，甚至可能會導致 EMC 問題。值得注意的是，收發(fā)芯片或通信模塊的制造商通常會在規(guī)范中指定最合適的天線。這是為了確保符合 RED 指令 2014/53/EU 的適用標準，同時考慮到可行性。 

圖2：物聯(lián)網(wǎng)電路板上的 WiFi 接口電路

陶瓷芯片天線

陶瓷芯片天線具有幾個優(yōu)點：它的尺寸很小，不易受到附近元件的電磁干擾；無需仿真即可輕松更改電路板設(shè)計或布局；可以簡單地修改天線甚至更換為不同的天線。GPS 和 2.4 GHz 等移動和高頻應(yīng)用經(jīng)常使用陶瓷天線。圖 3 展示的是適用于 WiFi 連接的 WE-MCA 多層片式天線。

圖3：各種設(shè)計的 WE-MCA 多層片式天線

最大化傳輸功率

當源阻抗等于負載阻抗時，傳輸功率最大。這意味著發(fā)射器輸出的源阻抗為 Z_T，它向阻抗為Z_L的電路路徑傳輸功率，Z_L 應(yīng)與 Z_T 相等。功率傳輸?shù)阶杩篂?Z_A 的天線，理想情況下天線的阻抗應(yīng)該與饋線和源的阻抗相同。當所有阻抗都具有相等的值時，就會達到最大傳輸功率。如果匹配不佳，收發(fā)器發(fā)送的幅度為 V_IN 的信號進入電路路徑，只有一部分信號會到達天線，剩余的信號會在源和饋線之間或饋線和天線之間的不連續(xù)處反射。

通過加入匹配網(wǎng)絡(luò)（通常是 π-、T-、LL- 或 LC-網(wǎng)絡(luò)）可以大幅減少這種失配。匹配網(wǎng)絡(luò)的電容值和電感值通常在 pF 和 nH 范圍內(nèi)。從 0.5 pF 到 20 pF， 和 0.5 nH 到 20 nH 范圍的樣品組合非常有用。因此WiFi 接口的布局中必須包含天線匹配網(wǎng)絡(luò)放置的位置。

在圖 4 所示的示例中，天線位于電路板的角落。天線不會被其他的元件所包圍，從而獲得良好的天線性能。 

圖4：WiFi 接口板天線區(qū)域的部分布局

在這一案例研究中，對 WE-MCA 多層片式天線（料號 7488910245）進行了匹配以實現(xiàn)最大功率傳輸。

關(guān)于作者

Zenkner 博士是伍爾特電子的獨立顧問，作為 EMC 專家專門從事技術(shù)營銷和應(yīng)用工程工作。