典型的情況,這些解決方案中的IC工作于小型電池供電的移動(dòng)手持設(shè)備。結(jié)果是,發(fā)射器的功耗變得十分關(guān)鍵。在大多數(shù)應(yīng)用中,所希望的工作距離在10m的數(shù)量級(jí)。所要求的等效輻射功率(ERP)低于-25dBm,即使是使用了相應(yīng)噪聲的接收器(例如敏感度低于-90dBm)。
天線要求達(dá)到此ERP值所需的功率取決于天線益增和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗(如果需要)。在低阻抗天線的情況下,需要具有較低同步壓擺的高驅(qū)動(dòng)器電流。利用高阻抗天線,較低的驅(qū)動(dòng)器電流就足夠了。利用集電極開路型電路,可以實(shí)現(xiàn)高電阻輸出級(jí),從而達(dá)到更高的效率。
表中給出了434MHz小型單極天線、四分之一波長(zhǎng)單極天線和小型環(huán)形天線的比較。由于效率很高(~90%),單極天線增益大約比小型環(huán)形天線高10dB (~10%)。然而,小型單極天線所要求的電感增加了成本,還大大降低了效率。在電感系數(shù)Q分別為100和400的情況下,效率降低至5%和18% (l = 0.05l) 。此外,天線調(diào)諧阻抗接近于驅(qū)動(dòng)器的輸入阻抗(通常,此驅(qū)動(dòng)器為射極跟隨器)。這樣,只有一半的驅(qū)動(dòng)器功率用于天線。
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利用環(huán)形天線,芯片的電容性輸出阻抗可被用于調(diào)諧天線。芯片輸出電路的Q值通常約為環(huán)形天線Q值的一半。所以只有33%的驅(qū)動(dòng)器輸出電流流入天線(正常情況下,驅(qū)動(dòng)器有為集電極開路輸出)。
通過采用抽頭式(tapped)環(huán)形天線可以進(jìn)一步改進(jìn)。于是,天線Q值約等于或低于芯片輸出電路的Q值。因此,很大部分驅(qū)動(dòng)器電流(50%或更大)流至天線。由于具有更大的孔徑尺寸,抽頭式環(huán)形天線同樣具有更高的增益。表的第二行顯示了在實(shí)際情況下,環(huán)形天線的增益甚至比小型單極天線的增益更好。第六行顯示了利用小型單極天線達(dá)到-25dBm ERP所需的電流數(shù)量級(jí)更高。環(huán)形天線和四分之一單極天線要求大約同樣的電流。但是環(huán)形天線不那么昂貴,也更小,而且對(duì)所謂的“(人)手效應(yīng)”更敏感。環(huán)形天線與H場(chǎng)交互作用,與E場(chǎng)相比,受人體的影響更小。如果方位正確,保持天線平面垂直于天線體表面,可以看到天線增益提高。
由于其高增益,環(huán)形天線要求有自動(dòng)調(diào)諧機(jī)制。在不同環(huán)境(溫度、由于手效應(yīng)而去調(diào)諧等)下,這種機(jī)制能保持功率最大,它還將補(bǔ)償擴(kuò)頻的影響。
本文描述了工作于315MHz、434MHz、868MHz和915MHz ISM頻段的發(fā)射器芯片的自動(dòng)天線調(diào)諧解決方案。該發(fā)射器的高速率和高分辨率合成器決定了具有片上晶體控制參考精度的輸出頻率(圖1)。借助于其高分辨率,多信道可被用于任何頻段。此外,快速開關(guān)允許發(fā)射器以相位鎖定環(huán)(PLL)自身進(jìn)行FSK調(diào)制。它不要求任何額外的調(diào)制電路。可以進(jìn)行不同的選擇以適應(yīng)各種帶寬、數(shù)據(jù)速率和晶振公差要求。
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帶有集成的天線調(diào)諧電路的功率放大器有一個(gè)開路集電極差分輸出(表示為RFP和RFN)。該輸出可直接以可編程輸出驅(qū)動(dòng)環(huán)形天線。發(fā)射器支持EEPROM或微控制器工作模式。在EEPROM模式下,所有將被發(fā)射的所需控制字和數(shù)據(jù)通過按動(dòng)按鈕由EEPROM讀出。該按鈕連接于任意由SW1-4表示的喚醒(wake-up)輸入。
圖2顯示了天線調(diào)諧回路的框圖。其主要目標(biāo)是將輸出塊的諧振頻率調(diào)諧至發(fā)射信號(hào)的頻率。輸出塊的諧振頻率包括環(huán)形天線、電容組、封裝和引腳寄生電容以及和電路寄生電容。輸出塊可以由平行RLC諧振電路來模擬。在諧振時(shí)可以觀察到驅(qū)動(dòng)器集電極電流和輸出集電極差分電壓之間有180°的相移。集電極電流和基極電壓之間的相移一致。因此,可將基極電壓的相位與集電極電流的相位進(jìn)行比較。兩個(gè)相移被調(diào)制為在寬頻帶(300~1000MHz)的相位特性具有90°相差。
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比較器對(duì)混合輸出誤差電壓的直流分量進(jìn)行監(jiān)視。為了降低誤差電壓,改變電容組的4位控制字的狀態(tài)。整個(gè)過程需要6.4μs時(shí)間。它連續(xù)工作以糾正環(huán)境變化(人手效應(yīng)等)。為了防止振蕩,向上計(jì)數(shù)比較器和向下計(jì)數(shù)比較器電平之差必須比任何相鄰電容組狀態(tài)之間的最大誤差電壓更高。通常,天線尺寸設(shè)計(jì)使其具有接近于在計(jì)數(shù)器狀態(tài)7時(shí)的工作頻率。因而,在重置中每次開啟時(shí),計(jì)數(shù)器被調(diào)諧為狀態(tài)7。連接至集電極的相移器包括輸入的限制器。去諧或有意改變RF功率都會(huì)引起這些變化。
當(dāng)功率低于限制器的工作范圍,輸出功率達(dá)到極低。一般情況下,這會(huì)在強(qiáng)去諧過程中產(chǎn)生壓降。為避免在如此低功率下的操作無序,電平探測(cè)器關(guān)閉調(diào)諧并將計(jì)數(shù)器設(shè)置為狀態(tài)7。相移器和限制器被集成在Gilbert單元混頻器中。
在這一階段,必須消除寄生布局電容中的任何偏移和不對(duì)稱,因而需要具有交叉連接晶體管對(duì)的對(duì)稱布局結(jié)構(gòu)。圖3顯示了帶有驅(qū)動(dòng)器和轉(zhuǎn)接片的天線調(diào)諧電路中的模擬部分�？傉加妹娣e為0.36平方毫米。在左中側(cè),可以發(fā)現(xiàn)1-2-4-8電容組比率。電容組位于兩個(gè)輸出焊盤之間。
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在不同供電電壓和輸出電壓水平的所有頻段,對(duì)調(diào)諧環(huán)路進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量由HP E4402B頻譜分析儀和85024A高頻探測(cè)進(jìn)行。此外,由外部發(fā)生器取代了內(nèi)部10MHz振蕩器,以進(jìn)行寬帶測(cè)量。通過改變發(fā)生器的頻率來改變PLL的輸出頻率。
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圖4顯示了用5×7.2mm天線測(cè)量的調(diào)諧曲線。它在0.5mm厚FR4基座上具有1mm行寬(strip width)。對(duì)于正向和反轉(zhuǎn)曲線,頻率分別從所研究頻段的較低和較高一側(cè)開始。除了極端失諧(超過940MHz,在狀態(tài)0甚至都無法達(dá)到諧振)的情況下,芯片成功地達(dá)到最大輸出功率。由于自動(dòng)調(diào)諧總是將諧振調(diào)諧至工作頻率,可以有16種不同電容組狀態(tài)。
該芯片很容易利用同樣的天線處理868MHz和915MHz ISM頻段。可以想像它還有可能以868MHz 和915MHz ISM頻段進(jìn)行多頻段工作。(對(duì)于315/433MHz ISM頻段也可能進(jìn)行同樣的雙頻段工作。)
