一、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中存在問題
LORA模組相關(guān)的產(chǎn)品項目研發(fā)過程中,需要對設計的pcb天線進行輻射功率測試,保證LORA模組在相應場景下滿足基本通信需求。
二、該問題帶來的危害及影響
天線在物聯(lián)網(wǎng)項目中占據(jù)重要地位,有些物聯(lián)網(wǎng)項目由于產(chǎn)品外殼尺寸限制,以及防水要求,需要選擇使用內(nèi)置的PCB天線,PCB天線設計完成后,如果不做天線測試,就無法保證天線性能,無法實現(xiàn)設備的遠距離通信(保證在無遮擋情況下,通信LORA終端(PCB天線)與網(wǎng)關(guān)(棒狀天線)的通信距離達到500m以上)
三、解決方法
方法一
1、原理介紹
搭建測試環(huán)境,通過頻譜儀測試LORA模塊的PCB天線的輻射功率值,如果輻射功率值達不到要求(小于-15dbm),需要用網(wǎng)絡分析儀測試史密斯原圖,調(diào)整射頻π型電路的器件參數(shù)。調(diào)整射頻阻抗接近50Ω(天線射頻接口保留初始π型電路,只串聯(lián)1個0歐電阻)
2、方案詳情
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2.1按上圖所示,頻譜儀接433M天線,帶PCB天線的LORA終端接電池,設定頻譜儀參數(shù),選擇433MHz頻率,125K帶寬,選擇最高點,用50Ω同軸線接入頻譜儀輸入端
2.2點擊PeaK, 光標處在最高點
2.3點擊“View/Trace”進入選項界面:點擊“Max Hold”最大保持
2.2讀取頻率下面的發(fā)射功率值為“-32.99dBm
2.3仿真匹配天線到最優(yōu)
天線匹配到50ohm附近,一種是先串聯(lián)電感,再并聯(lián)電容;另一種是先串聯(lián)電容,再并聯(lián)電感。電容和電感的值我們可以用一些工具計算得到。比如說這款Smith 工具:https://www.will-kelsey.com/smith_chart/
我們可以用這個Smith chart的工具很容易就計算出來先要串接48.69nH的電感,然后再并接20.9264pF的電容,最后的阻抗可以基本上為50Ohm。
從下圖中我們可以看出,DP1是我們用網(wǎng)分測出的在433MHz的原始阻抗5.48-117.j ohm,串上電容后,沿著電阻圓移動到DP2,并連電容后,沿著電導圓向下移動到DP3點,基本上就是50ohm附近。
需要注意的事,我們現(xiàn)在得到的串并聯(lián)電容和電感的值,都是一個理論值。由于走線上的寄生電容和寄生電感的存在,電容和電感本身也不是一個純的電容和電感,所以我們要把我們仿真的值焊在實際的電路板上,用網(wǎng)絡分析儀去測試。然后根據(jù)實際測試的結(jié)果,去微調(diào)匹配電路的值,使得最終的測試結(jié)果接近最優(yōu)結(jié)果,從而天線的性能得到優(yōu)化。
2.3LORA終端接入網(wǎng)絡分析儀,測試史密斯圓圖
2.4網(wǎng)絡分析儀設置與校準
2.5
點擊“1”“Center”設置中心頻率:如“433.92MHz”
點擊“2”“Span”設置頻率的帶寬:如“100MHz”
點擊“3”“Start”設置頻率的起始頻率:如“383.92MHz”
點擊“4”“Stop”設置頻率的終止頻率:如 “483.92MHz”
點擊“5”“Marker”設置頻率的測試點,界面如下圖所示:
測試點數(shù)可以自行設置,點頻的一般設置測試的頻率即可;
點擊“6”“Format”設置測試頻點的駐波比或史密斯圓圖:如下圖所示
選擇“S11”單端校準窗口,點擊后進入:如下圖所示
校準完后就可以正常的測史密斯圓圖。實際測試對應的π型電路,如下圖所示:
2.6 在LORA終端的π型電路上,焊接對應的電感與電容
2.7重復2.1與2.2兩個步驟測試,LORA終端發(fā)射功率,如下圖所示,發(fā)射功率為-10.45dBm,與匹配前相比發(fā)射功率提高了20個dbm
2.8按下圖搭建實驗環(huán)境,在實驗室條件下測試LORA網(wǎng)關(guān)接收LORA終端的溫度信息。再通過連接網(wǎng)關(guān)的測試電腦串口觀察信息接收情況。
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2.9如果串口助手(波特率9600或115200根據(jù)程序固件確定)上的測試電腦收到LORA測溫終端信息,表示通信正常
2.10將測溫終端放置在距離LORA網(wǎng)關(guān)1公里左右的室外,測試測溫終端與網(wǎng)關(guān)的遠距離通信功能,將測溫終端的PCB天線一側(cè)面向LORA網(wǎng)關(guān)方向,連續(xù)給測溫終端上電5次,觀察連接LORA網(wǎng)關(guān)測試電腦串口是否接收到測溫終端發(fā)送的信息。
3、需要的測試設備或測試環(huán)境
3.1、測試電腦
3.2、串口調(diào)試助手
3.3、棒狀LORA天線
3.4、聚合物電池
3.5、LORA網(wǎng)關(guān)與LORA測溫終端,帶溫度傳感器
3.6、頻譜儀E4402B
3.7、網(wǎng)絡分析儀8783E
3.8、Smith V4.1工具
3.9 433M天線
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