基于信号完整性仿真技术2.4G ZigBee模块的设计

　　0 引言

　　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。

　　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。

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。

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

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，

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。

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。

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。

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。

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。

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。