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2.4G ZigBee模块设计的信号完整性仿真技术应用

2018年02月08日 19:45 次阅读

自从马可尼发明无线电以来,无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距离的方向发展。而当前被广泛研究的ZigBee 技术则正是一种为人们提供廉价的、极低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线通信技术。这种无线技术具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、安全性能高、成本低和时延短等特点受到广泛欢迎。

ZigBee 名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag 形状的舞蹈来通知发现的食物源的位置、距离和方向等信息,以此作为该技术的名称。ZigBee 过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术,现统一称为ZigBee技术。目前ZigBee技术被广泛应用于物联网系统,如智能家居、煤矿监控、电梯物联网等,ZigBee电路设计的好坏直接影响物联网系统运行的稳定性和可靠性。

ZigBee 兼容的产品工作在IEEE802.15.4 的PHY 上,其频段是免费开放的,分别为2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。本文研究的技术采用的ZigBee产品工作频段为2.4GHz,该频段比传统信号传输速度高出许多倍,因此板卡的设计要求也复杂很多。采用传统的PCB设计经验是无法满足该射频板的要求,我们需要采用针对射频电路板的新技术--信号完整性仿真技术。

1微带线阻抗匹配仿真与计算

1.1特征阻抗定义

对于高速电路来讲,当我们讨论传输线时,不仅要考虑由于高速信号而引入的新的频率因素,还要考虑由于高速信号传输而形成的不同的电路结构。理论上讲,传输线是由传输信号的信号线,即图中的微带线A,和该信号构成参考回流路径构成的。这种结构,是由传输线上的信号特征决定的,再次强调,我们讨论的不是导线上直流稳态的静电场分析,我们面临的问题是在高速信号传输过程中瞬时电磁场的交替建立过程。所以,请特别注意,能够为信号线提供回流路径的不仅仅是通常意义的地平面,任何能够和信号线之间建立电磁场联系的导体,都能够和信号线之间建立传输线。而我们研究的对象是所有这些传输线结构中,能够最有效提供回流路径的那对传输线结构。正如下图中所示的那样,对于高速信号的传输线,其能量的传播是依靠电磁场在传输介质上的交替变化完成的,那么它的传输路径包含了:微带线本身、回流路径、以及微带线和回流路径之间的介质。所以,对于一个特定的传输线而言,信号线和回流路径之间构成的是一个双端口网络。而其阻抗,即是构成等效电路的各个因素的综合结果。

基于信号完整性仿真技术2.4G ZigBee模块的设计 物联网世界网

当理解了这样的信号传输结构之后,就不难理解分辨传输线阻抗和电阻的区别了。当谈到传输线的阻抗时,是绝对不能用导体A的电阻来替代的,它实质是在该传输介质中某一点上所建立的电场及流经该点的电流之间的关系,所构成的传输介质上的电场。因此谈到传输线的阻抗,读者一定要建立起“两个导体”的结构概念,而不仅仅是那个显而易见的微带线A。缺少了参考回流路径,单一的微带线A是无法建立电场的。

当信号在传输线上传输时,每向前传输一个最小单元的等效电路,都要在所经过的路径上建立相应的电磁场,并且有一定的电流流经等效电路。这个最小单元的等效电路构成的阻抗,相对传输线来讲,就是此时此刻的瞬时阻抗。如果信号在此传输线上传输时,每个瞬时阻抗都完全一致,那么就将瞬时阻抗定义为该传输线的特征阻抗。

1.2微带线概念

在PCB中,微带线是一种用电介质将导线与接地面隔开的传输线。印制迹线的厚度、宽度和迹线与接地面间介质的厚度,以及电介质的介电常数,决定微带线的特征阻抗的大小。

微带线的几何结构如图-1所示,导带的宽度W印在薄的接地的介质基片上。

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图-1

W1和W2:传输线上下表面宽度;

T1:传输线的铜厚,如一盎司;

H1:介质的厚度;

底面铜皮为传输线的参考平面,可为地平面也可以是电源平面。

根据“IPC-2141”规范,推荐的使用的微带线参数计算公式如下:公式-1

微带线特征阻抗计算公式:

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

其中,W为线宽,T为走线的铜皮厚度,H为走线到参考平面的距离,Er是PCB板材质的介电常数。此公式必须在0.1《(W/H)《2.0,并且1《(Er)《15。

微带线的宽度W越大,微带线的特征阻抗Z0就越低。近似公式在微带线宽度W远大于介质厚度t时的精度较高,否则就需要加以修正。当W与t相当时,误差约为百分之几到百分之十几。其中微带线的宽度W远大于介质厚度t也正是当前PCB工艺所能实现的。

但对于PCB设计工程师来说,要控制PCB微带线的特征阻抗,如果依靠上述公式计算非常不方便。在前些年,没有专业的特征阻抗仿真软件,当PCB需要做阻抗匹配时工程师要花费很多时间来计算微带线的模型。后来POLAR SI8000软件的诞生给阻抗匹配计算带来了巨大的便利,目前全球大约有一半以上的PCB厂家都采用该软件计算PCB传输线的特征阻抗。该软件不仅使用简单,阻抗匹配精度高,软件提供了多种PCB传输线的模型。本文仅介绍如何用SI8000设计ZigBee模块微带线的特征阻。

因ZigBee射频信号传输线的模型为微带线,并且特征阻抗为50欧姆,根据PCB厂家的实际工艺要求,如果铜的厚度为1盎司,只需通过SI8000软件计算出该微带线的宽度即可控制该微带线的特征阻抗。

具体步骤:运行SI8000软件,界面如下图-2所示,选择微带线的模型为:Surface Microstrip 1B。第一层到第二层的厚度H1为4.5mil,微带线的上下线宽相差(W1-W2)1mil,上表面线宽设为7mil,则下表面线宽8mil,介电参数为4.2,铜厚为1盎司,计算出来微带线特征阻抗正好为51欧姆,满足±10%的误差要求。

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图-2

2 射频输出微带线特征阻抗为何要匹配

在高频信号传输途径,特征阻抗必须始终保持一致,一旦传输途径的特征阻抗有突变,就会因阻抗突变引起的信号完整性问题。典型的信号完整性问题就是信号反射、信号过冲,更严重会引起振铃。表现出的问题为信号传输波形发生扭曲、信号边沿出现过冲、信号输出功率变小、EMI辐射超标等问题。下面我们通过Hyper Lynx信号完整性仿真软件,介绍2.4G射频板阻抗不匹配引起的几种问题。

Hyper Lynx仿真软件是PADS公司开发的一款信号完整性仿真软件,该软件主要用于高速电路设计的仿真与应用。该软件可以仿真信号传输线的特征阻抗、传输线EMI辐射、传输线磁场分布情况、传输线时序等很多问题,该软件为高速电路设计带来了极大的方便。

本人在设计2.4G ZIGBEE模块时,第一版因射频输出线特征阻抗没有计算好,导致该模块输出功率偏小,EMI辐射超标且模块的接收灵敏度较低。第一版模块如下图-3所示

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图-3

2.1阻抗不匹配导致射频信号输出功率变小

利用Hyper Lynx仿真软件计算图-3模块的射频传输线,特征阻抗值为16.5欧姆,如下图-4,

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图-4

通过图-4可以得知,该传输线的特征阻抗的实际值和理论值偏离过大,导致射频信号输出时引起信号完整性问题,最直观的表现就是输出功率偏小。理论值为21DBm,实际值为18DBm,也就是说这根传输线上损失功率为3DBm。为了验证我们的分析是否正确,通过网络分析仪直接测量PCB板的射频传输线的损耗值。经测量,该值为2.95DBm,刚好符合分析结果。

2.2阻抗不匹配导致射频板接收灵敏度降低

我们再对该板卡做接收灵敏度测量,经测量,该板卡接收灵敏度,比市场上其他公司设计的模块的接收灵敏度低。该模块采用的运放的接收灵敏度值为-115DBm,而实际测量下来只有-107DBm。初步分析,可能是因传输线的阻抗不连续、阻抗突变引起的信号波形失真,最终导致接收灵敏度降低。只要通过支持2.4GHz的示波器看一下该板子的实际输出波形即可,如果信号有失真,则分析的结果就没有问题。但是,目前很少能找到速度超过1GHz的示波器,要找到2.4GHz的示波器就更难了。不过虽然2.4GHz的示波器实物不好找,我们可以通过仿真软件来验证该问题。

Hyper Lynx仿真软件有个高速示波器仿真功能,通过该软件,可以对该传输线在2.4G频段的信号进行波形仿真,结果如图-5所示,红线为理论输出波形,绿线为实际输出波形,不难发现该波形有明显的震荡,和我们预期的分析结果相符合。

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图-5

2.3阻抗不匹配导致射频板EMI辐射超标

同样,对该板子做EMI辐射测试,发现该板子的EMI辐射在2.4GHz到5GHz的范围超过CE标准。通过Hyper Lynx仿真软件的虚拟频谱分析仪仿真结果如下图-6所示。

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图-6

图中黄色凸起代表EMI辐射在不同频段的分量,很明显EMI辐射从2.4G开始一直到10GHz都很强。

综上所述,因特殊阻抗不匹配,导致第一版2.4GHz射频板存在以下三个问题:

1、输出功率小;

2、接收灵敏度低;

3、EMI辐射超出CE标准。

重新计算好传输线特征阻抗,改版后的特征阻抗如下图-7所示,特征阻抗值为50.8欧姆。

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图-7

板子传输线的波形仿真如下图-8所示,实际输出波形几乎和理论波形相同。

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图-8

再对板子进行EMI辐射仿真,结果如图-9所示,新板子在10GHz范围内EMI辐射几乎看不到。

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图-9

经过测量,改版后的射频板的输出功率大于20DBm,接收灵敏度也比之前板子的高,EMI辐射也满足各种标准的要求。

3 微带线特征阻抗为何要满足50欧姆

ZigBee射频PA输出的特征阻抗为50欧姆,天线的特征阻抗也为50欧姆,此时只有传输线的特征阻抗为50欧姆时,信号输出功率最大,并且产生的信号完整性问题也最少。

4 结束语

众所周知,ZigBee无线射频技术被广泛应用于物联网系统中,但2.4G ZigBee射频板设计难度相对要高,需要注意的问题也比较多,因此在一定程度上限制了该技术的应用范围。如果在设计的过程中能够掌握一些好的仿真工具,这样可以提高设计的效率,降低设计风险,从而减少产品的开发周期,最终达到减少开发费用的目的。Hyper Lynx仿真软件的推出给高速电路设计带来了很大的便利,通过该软件可以缩短产品的开发周期,可以在PCB设计就能得知电路板存在的许多EMC问题,提前预防产品存在的风险。

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在您努力想要稳定板上的各种信号时,信号完整性问题会带来一些麻烦。IBIS 模型是解决这些问题的一种简...

发表于 2012-01-14 12:58 537次阅读
信号完整性计算和器件的特性阻抗研究

信号完整性中信号上升时间与带宽研究

本文就谈谈一个基础概念:信号上升时间和信号带宽的关系。对于数字电路,输出的通常是方波信号。方波的上升...

发表于 2011-11-30 15:48 1997次阅读
信号完整性中信号上升时间与带宽研究

何时会遇到信号完整性问题

有些公司制作复杂电路板时,硬件总也调不通,负责开发的硬件工程师也会提出同样的问题。他们通常的说法是:...

发表于 2011-11-30 15:44 641次阅读
何时会遇到信号完整性问题

信号完整性工程师_SI工程师前景分析

信号完整性工程师_SI工程师前景分析

发表于 2011-11-30 11:37 5728次阅读
信号完整性工程师_SI工程师前景分析

信号完整性工程师总结的精华100例

信号完整性工程师总结的精华100例,下面是一位信号完整性工程师总结的SI方面的精华,给大家分享一下

发表于 2011-11-30 11:32 1994次阅读
信号完整性工程师总结的精华100例

信号完整性工程师的最佳伴侣_图书推荐

《信号完整性工程师的最佳伴侣》涵盖了从可行性研究到检验,从仿真到测试的整个生命周期,为针对高速数字设...

发表于 2011-11-30 11:30 1363次阅读
信号完整性工程师的最佳伴侣_图书推荐

信号完整性工程师工作职责

信号完整性工程师工作职责,负责单板硬件及互连设计的信号完整性和电源完整性分析,定制芯片级/单板级/系...

发表于 2011-11-30 11:26 1476次阅读
信号完整性工程师工作职责

关于SI设计与SI仿真的一点浅见

看到有很多人执着于信号完整性仿真,也有人提到软件仿真与实际不相符的问题,谈谈我自己的一些看法。

发表于 2011-11-30 11:16 2439次阅读
关于SI设计与SI仿真的一点浅见

静电放电保护时怎样维持USB信号完整性

随着常见文件的大小持续增加,高数据率也变得越来越重要。在这种等级的数据率,为数据线路增加任何电容都可...

发表于 2011-11-25 11:22 716次阅读
静电放电保护时怎样维持USB信号完整性

信号完整性:多长的走线才是传输线

多长的走线才是传输线?这和信号的传播速度有关,在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说...

发表于 2011-11-23 17:45 1708次阅读
信号完整性:多长的走线才是传输线

信号完整性:信号振铃是怎么产生的

如果信号传输过程中感受到阻抗的变化,就会发生信号的反射。这个信号可能是驱动端发出的信号,也可能是远端...

发表于 2011-11-23 17:42 9369次阅读
信号完整性:信号振铃是怎么产生的

pcb layout中信号完整性的信号延迟(de...

在pcb layout中必须要考虑SI差的信号完整性不是由某一因素导致的,而是由板级设计中多种因素共...

发表于 2011-11-21 13:57 2067次阅读
pcb layout中信号完整性的信号延迟(de...

信号完整性SI工程师必须具备什么条件

 在一个公司,从产品级的角度来看,一个信号完整性工程师的必备条件是什么,他们在干什么,一个旁观者的认...

发表于 2011-11-21 13:48 1326次阅读
信号完整性SI工程师必须具备什么条件

PLTS软件在网络分析仪做信号完整性测量的必要

USB总线微波功率计设计_对于增强测试精度和便捷性方面,仿真分析软件是没法替代PLTS的,特别是用于...

发表于 2011-11-07 10:35 1236次阅读
PLTS软件在网络分析仪做信号完整性测量的必要

Zigbee模块在物联网中的应用

ZigBee协议规定的技术是一种便宜的、低功耗的、高可靠性的近距离无线组网通讯技术,是一个由可多到6...

发表于 2011-10-31 16:54 2488次阅读
Zigbee模块在物联网中的应用

利用IBIS模型研究信号完整性问题

本文是关于在印刷电路板 (PCB) 开发阶段使用数字输入/输出缓冲信息规范 (IBIS) 模拟模型的...

发表于 2011-09-15 10:13 431次阅读
利用IBIS模型研究信号完整性问题

MAX14950A双均衡器3.0系统PCIe信号...

MAX14950A双均衡器/转接驱动器改进的PCI Express ®(PCIe)的通过提供可编程输...

发表于 2011-09-09 17:48 439次阅读
MAX14950A双均衡器3.0系统PCIe信号...

CDMA网络规划覆盖分析的仿真技术

本文针对CDMA网络覆盖的复杂特点,对网络的规划中的覆盖分析做了详细的研究,在仿真关键参数核心步骤上...

发表于 2011-08-25 13:53 1947次阅读
CDMA网络规划覆盖分析的仿真技术

工程师总结的估计信号完整性效应的经验法则

经验法则只是一种大概的近似估算,它的设计目的是以最小的工作量,以知觉为基础找到一个快速的答案。经验法...

发表于 2011-05-11 08:10 1080次阅读
工程师总结的估计信号完整性效应的经验法则

信号完整性的测试方法

信号完整性的测试手段很多,涉及的仪器也很多,因此熟悉各种测试手段的特点,以及根据测试对象的特性和要求...

发表于 2011-04-21 11:14 5274次阅读
信号完整性的测试方法

仿真技术驱动混合动力车和电动汽车设计

  面对高度竞争化的混合动力车和电动汽车(HEV/EV)市场,动力集成研发工程师正在向更高的系统效率...

发表于 2010-12-20 08:54 279次阅读
仿真技术驱动混合动力车和电动汽车设计

基于IBIS建模仿真的信号完整性问题解决方案

  高速数字设计人员面临的一个挑战就是处理其电路板上的过冲、下冲、错配阻抗振铃、抖动分布和串扰问题。...

发表于 2010-12-10 09:31 491次阅读
基于IBIS建模仿真的信号完整性问题解决方案

基于信号完整性仿真分析的高速PCB设计

  引言   信号完整性是指电路系统中信号的质量。如果在要求的时间内,信号能够不失真地从源端传

发表于 2010-12-06 10:34 551次阅读
基于信号完整性仿真分析的高速PCB设计

PCB设计中的电源信号完整性的考虑

  在电路设计中,一般我们很关心信号的质量问题,但有时我们往往局限在信号线上进行研究,而把电源和地当...

发表于 2010-10-20 17:58 393次阅读
PCB设计中的电源信号完整性的考虑

ZigBee模块功能特点介绍

  ZigBee模块是针对快速、高效、稳定应用的产品开发而准备的模块,它将ZigBee芯片必须要外接...

发表于 2010-07-20 09:59 3318次阅读
ZigBee模块功能特点介绍

仿真技术在我国电力工业中的发展及应用

仿真技术在我国电力工业中的发展及应用 1 现代化大型火电机组仿真系统的硬件组成和软件结构 1.1...

发表于 2010-04-12 11:32 503次阅读
仿真技术在我国电力工业中的发展及应用

基于EDA仿真技术解决FPGA设计开发中故障的方...

基于EDA仿真技术解决FPGA设计开发中故障的方法   FPGA近年来在越来越多的领域中应用,很多大...

发表于 2010-03-24 18:07 289次阅读
基于EDA仿真技术解决FPGA设计开发中故障的方...

浅谈确保信号完整性的电路板设计准则

浅谈确保信号完整性的电路板设计准则 信号完整性(SI)问题解决得越早,设计的效率就越高,从而可避免...

发表于 2010-01-16 16:33 355次阅读
浅谈确保信号完整性的电路板设计准则

回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用

回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用 软、硬件的并行开发方法可以加快设计进程,但在系统整合时常...

发表于 2009-10-31 10:13 209次阅读
回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用

IP验证增量仿真技术的运用

IP验证增量仿真技术的运用 验证涉及每个阶段的迭代循环:仿真、检查结果,改变激励或设计或调试设置,...

发表于 2009-01-27 17:58 232次阅读
IP验证增量仿真技术的运用

[组图]模拟/数模混合电路加速仿真技术

如今,涉及...

发表于 2006-04-16 18:20 308次阅读
[组图]模拟/数模混合电路加速仿真技术