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Tune Matching 的方法有許多,有利用單獨(dú)供電給 PA,直接在 Active 情況下 Tune Matching 的方式[1],但是這方法要有兩個(gè)條件 : 1. 能夠正常通話 2. 能進(jìn)入非信令模式 然而 Tune Matching 的工作,多半都是在第一版 PCB 就要完成(因?yàn)榈诙?PCB 就要直接送認(rèn)證),但是依個(gè)人經(jīng)驗(yàn),通常第一版 PCB,軟件可能尚未 Ready, 正常通話 ? 進(jìn)入非信令模式 ? 再等等唄,。 因此個(gè)人較偏好利用 Passive 方式 Tune Matching,你只要有板子就能進(jìn)行,不必等到軟件 Ready,。 由于 GSM 跟 WCDMA 是手機(jī)的核心,故個(gè)人以這兩個(gè)功能的 Tx/Rx Matching 來 做說明。 基本原理 : 最理想情況,當(dāng)然是希望 Source 端的輸出阻抗為 50 歐姆,傳輸線的阻抗為 50歐姆,Load 端的輸入阻抗也是 50 歐姆,一路 50 歐姆下去,這是最理想的,。 但是,板廠的制程,在 Trace 的線寬,以及對地間距,一定會(huì)有誤差,這導(dǎo)致 Trace 的阻抗,未必是 50 歐姆,所以要靠Matching 把阻抗 Tune 到 50 歐姆。所 以通常就算對于阻抗控制再有信心,也會(huì)留 Dummy pad,以備不時(shí)之需。 
先把落地組件拔掉,串聯(lián)組件用 0 歐姆電阻,目的是要知道 PCB Trace 最原始的 阻抗為多少,接下來才能利用 Smith Chart 跟 Matching 組件,把阻抗 Tune 到 50 歐姆,。 
Q. 我可以直接用焊錫 Short,來代替 0 歐姆電阻嗎 ? 這樣比較省事。 答案是不行,因?yàn)殡m然以電路觀點(diǎn),都是 Short,但是以高頻觀點(diǎn),利用焊錫這種 Distributed 方式,會(huì)有寄生效應(yīng),連帶使得你量出來的阻抗會(huì)不準(zhǔn),。 零件換好后,先把網(wǎng)絡(luò)分析儀做校正,再將銅管作 Port extension,如此便可 開始量阻抗,。 我們發(fā)現(xiàn) PCB Trace 最原始的負(fù)載阻抗為(40.6-13j)歐姆,接下來就是利用 Smith Chart,將負(fù)載阻抗 Tune 到 50 歐姆。 
也就是要把負(fù)載阻抗,依序透過 Z1, Z2, Z3,把阻抗由(40.6-13j)歐姆,Tune 成 50 歐姆,。 
首先要把阻抗,弄到通過 50 歐姆的 Z-plane/Y-Plane 圓周上,也就是下圖兩個(gè)藍(lán) 色圈圈的圓周上, 
而下圖是串電感,、串電容、并電感,、并電容的軌跡,。 
因?yàn)?Z1 是落地組件,所以透過并聯(lián)方式,將阻抗弄到通過 50 歐姆的 Z-plane/Y-Plane 圓周上。 但是我們發(fā)現(xiàn),不管是并電感, 
或是并電容, 
其阻抗都跑不到我們要的圓周上,因此 Z1 就直接 Dummy,。依此類推,若往后 遇到 T 型 Matching,Z1 為串聯(lián)組件,但串電容跟串電感都跑不到我們要的圓周 上時(shí),這時(shí) Z1 就放 0 歐姆,。 而 Z2 是串聯(lián)組件,利用串 9.8nH 的電感,將阻抗弄到了我們要的圓周上,此時(shí) 阻抗為(40.4 + 19.3j)歐姆,。 
最后 Z3 又是落地組件,因此并一個(gè) 3.1pF 的電容,使阻抗跑到(49.7 + 0j)歐姆。 
因此我們利用串 9.8nH,并 3.1pF 的組合,將負(fù)載阻抗由原始的(40.6-13j)歐姆, Tune 成了 49.7 歐姆,。 
Q. 如果我阻抗控制作的相當(dāng)好,不需任何 Matching 組件就有 50 歐姆,我可以 在下一版 PCB 拿掉這些 Matching 組件嗎 ?
答案當(dāng)然是可以,好處有三: 1. 減少零件,便可 Cost Down 2. 減少零件,降低 SMT issue 的風(fēng)險(xiǎn) 3. 減少零件,降低 Insertion Loss 第 3 點(diǎn)對于 GPS 尤其重要,我們由 Noise Figure 的公式 :
發(fā)現(xiàn) GPS LNA 前的 Noise Figure,幾乎決定了整體電路的 Noise Figure,。 換句話說,若 LNA 前的 Noise Figure 不好,那么 C/N 值跟 Sensitivity,注定不會(huì) 好,因此要想辦法將 LNA 前的 Loss 降到最低。而 Loss 來源有二 : 1. Mismatch Loss 2. Insertion Loss 若阻抗控制得相當(dāng)好,等同于幾乎沒有 Mismatch Loss,若能將這些 Passive 的 Matching 組件拿掉,便可更進(jìn)一步降低 Insertion Loss,。即便是 0 歐姆電阻,仍 有些微的 Insertion Loss,更何況 GPS 接收的是-150 dBm 極微弱的訊號(hào),些微的 Insertion Loss,對于 C/N 值跟 Sensitivity,已有相當(dāng)?shù)挠绊?。因此若阻抗控制?的相當(dāng)好,建議下一版 PCB 就直接用 Microstrip 連過去。
1. 電感/電容值,不要過小 2. 落地電容值,不要過大 3. 電感/電容值,不要過于冷門 4. 盡可能設(shè)計(jì)成 Low Pass Filter 5. 整個(gè)頻帶的阻抗軌跡盡可能收斂 電感/電容值之所以不要過小,原因是要維持 Matching 的穩(wěn)定性,因?yàn)?電感/電容值會(huì)有誤差,以電容為例子,差不多會(huì)有正負(fù) 0.1pF 的誤差,如果是 一個(gè)容值為 0.3pF 的電容,則誤差高達(dá) 33%,其容值范圍為 0.2pF ~ 0.4pF,這 可能會(huì)導(dǎo)致每片 PCB 的 Tx/Rx Performance 不一致,進(jìn)而影響工廠量產(chǎn)時(shí)的良率,。 落地電容值之所以不要過大,是因?yàn)橐勒杖菘构?:
電容值越大,容抗越小,因此落地電容值過大,則反而可能會(huì)讓訊號(hào)都流到 GND,。 電感/電容值,不要過于冷門,原因是方便備料,因?yàn)槿羰浅Ｒ姷闹?則所有廠 家都會(huì)有,量產(chǎn)過程中,若 First Source 的廠家缺料,還可馬上找 Second Source 的廠家。 至于盡可能設(shè)計(jì)成 Low Pass Filter,原因是這樣可以抑制諧波,。而 Low Pass Filter 的組合如下 :
第五項(xiàng)是最重要的原則,上述步驟,是以單一頻率點(diǎn)來做 Matching,但最后要 看整個(gè)頻率范圍內(nèi)的 Smith Chart 軌跡,才能決定該 Matching 值可否采用,。 以 DCS band 為例,Tx 頻率范圍為 1710 MHz ~ 1785 MHz,因此作 Tx Matching 時(shí),盡可能希望 1710 MHz ~ 1785 MHz 的阻抗,都能收斂在 50 歐姆附近。
而不要像下圖一樣,Low/Mid/High Channel 的阻抗,都不相同,。
因?yàn)橐?Load Pull 的觀點(diǎn),不同的阻抗點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致不同的輸出功率,。阻抗相差越 多,則輸出功率也相差越多,造成輸出功率不平坦。
而以 Rx Matching 觀點(diǎn)而言,阻抗離 50 歐姆越遠(yuǎn),則 Mismatch Loss 越大,即 Sensitivity 越差,因此若無法Low/Mid/High Channel 的阻抗,都收斂在 50 歐姆 附近,則會(huì)導(dǎo)致 Sensitivity 不平坦,。 所以 Tune Matching 時(shí),可以先以 Mid Channel 的頻率點(diǎn),作單一頻率點(diǎn)的 Matching,因?yàn)?Low/ High Channel,并不是每個(gè)測項(xiàng)都會(huì)測,但 Mid Channel 每個(gè)測項(xiàng)都會(huì)測,所以要先確保 Mid Channel 的阻抗有到 50 歐姆,再使Low/High Channel 的阻抗,也收斂到 50 歐姆附近,。 雖然 Matching 的組合,有 L 型、T 型,、π型,但 T 型/π型的阻抗收斂效果,會(huì) 比 L 型來得好,因此若 Low/High Channel 的阻抗,離 50 歐姆較遠(yuǎn),便可利用 T 型/π型的 Matching,把 Low/High Channel 的阻抗 Tune 到 50 歐姆,。 Q. 但以上面例子而言,一開始的 Z1 是落地組件,并不能幫我把原始負(fù)載阻抗 Tune 到 50 歐姆,因此若硬要用π型,可能 50 歐姆 Matching 的效果還不 如 L 型來得好。 這問題分兩個(gè)層面探討, 首先,雖說 T 型/π型的阻抗收斂效果,比 L 型來得好,但不是說非用不可,。如 果用 L 型,其 Low/High Channel 的阻抗,已收斂到 50 歐姆附近,那當(dāng)然沒必 要多增加一顆組件去做 T 型/π型,。更甚至如果 Low/High Channel 的原始負(fù)載阻 抗已經(jīng)很收斂,第二版 PCB 當(dāng)然就如之前所說,直接 Microstrip 連過去,更沒 必要硬用 T 型/π型。 其次,如果 L 型在 Mid Channel 的 50 歐姆 Matching 效果比π型好,但 Low/High Channel 的阻抗卻不收斂,要如何在保有 L 型的 Matching 效果同時(shí),還能進(jìn)一 步讓 Low/High Channel 的阻抗收斂呢 ? 先介紹四個(gè)簡單的電感/電容只串/并聯(lián)公式：
接著利用上述四個(gè)公式,將 L 型拆成 T 型/π型,。
在此注意電感不管是串聯(lián)還是并聯(lián),都不要離太近,否則會(huì)因?yàn)榛ジ?而使計(jì)算 結(jié)果變得更將復(fù)雜,且不如預(yù)期,。 因此若要將
拆成π型,則會(huì)變成 :
上述講到零件值不要太冷門,因?yàn)?3.1pF 是個(gè)很冷門的值,故真正采用時(shí),會(huì)用 3pF,因此拆成π型,就變成兩個(gè) 1.5pF。 那要如何判斷零件值冷不冷門呢,簡單的判斷準(zhǔn)則是找沒名氣的二線小廠商,跟他們要 Sample Kit,Sample Kit 里面有出現(xiàn)的值,多半不會(huì)太冷門,可以不用擔(dān) 心備不到料的問題,。 接下來,我們以 Block 的觀點(diǎn),探討 GSM/WCDMA 的 Tx/Rx Matching,。 GSM Tx Matching 一開始板子會(huì)有這些零件,
然后,把 ASM 跟 GSM PA 拔掉。
Step1. 把ASM跟WCDMA間的S11以及S22,，盡量Tune成50Ohm
因?yàn)檫@段是影響 GSM/WCDMA 所有 Tx 跟 Rx,所以一旦有 50 Ohm,就直接 Fix 住,之后 Tune 其它 Band 或是 Rx,都不要?jiǎng)舆@段,。 Q. 為啥 Connector 不用 Reference Plane ? Ans : 原因是當(dāng) Connector 端接上 RF Cable 時(shí),其 Connector 與后面天線彈片間是 Open 的,此即為最佳的 Reference Plane。
Step2. 再把ASM 跟 GSMPA間的S11 跟 S22都盡量Tune成50Ohm
Step3. 拿另一塊板子,GSM PA 跟 ASM 都有 Mount 上去的,把 PA 拔掉, 再把之前 Tune 的新 Matching 值換上去,并量測 GSM PA 到 Connector 的 S21,這樣對于 PA chip out 到 Connector 會(huì)有多少 Loss,至少有個(gè)底,。
WCDMA Tx Matching 一開始板子會(huì)有這些零件
因?yàn)樵?GSM 階段,ASM 到 Connector 已經(jīng) Tune 到 50 Ohm,所以我們就 Fix 住, 不再去動(dòng)它 然后把 WCDMA PA 跟 ASM 拔掉
Step 1. 把 ASM 跟 WCDMA 間的 S11 以及 S22,盡量 Tune 成 50 Ohm
Step 2. 拿另一塊板子,所有零件都有 Mount 的,把 WCDMA PA 拔掉, 并換上新的 Matching 值,然后量 WCDMA PA 到 Connector 的 S21, 這樣對于 WCDMA PA Chip output 到 Connector 有多少 Loss,至少有個(gè) 底,。
Q. 為啥不是 ASM 到 Duplexer,以及 Duplexer 到 PA 分兩段作 Matching ?
Ans : 當(dāng)然如果嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn),是必須這樣做。不過因?yàn)?Duplexer 本身也是 Passive 組件, 同樣也是不必等軟件 Ready,有板子就能做 Matching,因此為節(jié)省時(shí)間,就直接 ASM 到 WCDMA 做一次 Matching 即可,。 除非是發(fā)現(xiàn) Matching Tune 不太動(dòng),因?yàn)?Duplexer 的 input & output 各有三顆元 件,一共六顆組件,變量太多,這時(shí)就可以分段做 Matching,把變量先縮減為 三個(gè),以加速 Matching 進(jìn)度,。 Q. 每個(gè)頻率點(diǎn)的 Load pull 都不同,為啥卻一律都 Matching 50 歐姆 ? Ans : 因?yàn)榉奖闶∈?。確實(shí),對某些頻率點(diǎn)而言,50 歐姆的輸出功率未必最大,耗電 流未必最小,諧波也未必最小。 但是,仔細(xì)觀察 Load pull 會(huì)發(fā)現(xiàn),50 歐姆的輸出功率,、耗電流,、諧波,通常也 不會(huì)差到哪里去,就算不是最佳,也不至于差到無法接受。 除非是要對某個(gè)特性做優(yōu)化,好比 Insertion Loss 太高 (因?yàn)?Trace 線寬太細(xì)), 希望有最大輸出功率,?；蚴强蛻魧τ谕ㄔ挄r(shí)間很要求,希望有最小耗電流。又或 者是 Harmonics 的 Performance Fail,希望有最小諧波,。這時(shí)就必須專程把 Load Pull Tune 到特定的阻抗值,。 Q. 為啥 PA input 不做 Matching ? Ans : 也是為了方便省事。因?yàn)?PA 的 Load Pull,理論上是由 PA 的輸出阻抗決定,跟 PA 的輸入阻抗沒有關(guān)聯(lián),就算有影響,其影響程度也是很小,遠(yuǎn)小于 PA 的輸出 阻抗,除非在 Layout 上,PA 的 input 跟 output 靠太近,相互耦合,那么 input 就會(huì)影響輸出阻抗,而能量大的 output,也會(huì)干擾能量小的 input,。 再者,以 TQM6M4068 這顆 PA 為例 [2],其 PA input 范圍為 0 dBm ~ 6 dBm, 因此即便 PA input 不做Matching,有 Mismatch Loss,但只要該 Loss 不至于讓 PA input 連低標(biāo) 0 dBm 都沒有,那么就不至于會(huì)有太大 issue,。 Q. 可是當(dāng) PA Mount 上去,且處于 Active 狀態(tài)時(shí),PA output 看出去的 Load pull 還會(huì)是 50 歐姆嗎 ? 會(huì)不會(huì) Passive 時(shí)的 Load pull,跟真正 Active 時(shí)差很 多 ? Ans : 坦白說,小弟并未比較過 Passive 與 Active 的 Load pull 比較,所以不知是否會(huì) 差很多,但是依小弟經(jīng)驗(yàn),如果Passive 有 Tune 好,Active 時(shí)的 Performance 不至于差到哪去,就算有 Fail,也不太會(huì)是 Matching 因素。 況且,如果最后發(fā)現(xiàn),該 Fail 真的與 Matching 有關(guān),那么再 Fine-tune 一下電感 電容值即可 (這時(shí)就直接硬 Tune 了,小弟只有在 Passive 時(shí)會(huì)看阻抗 Smith Chart,當(dāng)軟件 Ready,可以 Active 時(shí),就直接只看 Pretest 結(jié)果,Pass 就 Fix 住, Fail 就再繼續(xù)硬 Tune),。 GSM Rx Matching 一開始板子會(huì)有這些零件
前面說過了,ASM 到 Connector 的 Matching 已 Fix 住就不再動(dòng),故直接由 ASM 到 Balun 開始,。 然后把 Balun 跟 ASM 拔掉,
Tune 到 50 歐姆即大功告成。 WCDMA Rx Matching 一開始板子會(huì)有這些零件
然后把 Duplexer 跟 ASM 拔掉,
Tune 到 50 歐姆即大功告成,。 Q. Balun/Duplexer到Transceiver這段不用Tune嗎??? Ans : 當(dāng)然要,，因?yàn)檫@邊的Matching離Transceiver最近，對于Sensitivity有很大影響,。但是Balun/Duplexer到Transceiver這段,，多半都是走Differential，
因此若要Tune?Matching,，不能像之前Single-end一樣，要先知道如何用VNA看Differential阻抗[3],，然后再Tune?Matching,。過程比Single-end來得復(fù)雜，依個(gè)人經(jīng)驗(yàn),，小弟在完成ASM到Balun/Duplexer的Passive?Matching后,，接著等軟件Ready，便直接硬Tune后端Differential的Matching,，直接只看Sensitivity,，若有達(dá)成目標(biāo)，就Fix住,，若沒有就繼續(xù)硬Tune,。 Reference [1] 優(yōu)化 RF3166 PA 效率之實(shí)例分析 [2] TQM6M4068 Advance Data Sheet [3] Ordinary Vector Network Analyzers Get Differential Port Measurement Capability
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