NRF24L01+ Ausgangsmatching auf 50 Ohm

[M. Н. (Gast)]

Guten Tag,

ich hatte bereits vor einigen Jahren einen Beitrag hier eingestellt zum 
Ausgangsmatching des NRF24L01+.

Beitrag "NRF24L01+ Ausgangsimpedanz"

Die Grafiken ads-diff und matching-result-diff zeigen meine Simulation 
und den Aufbau für ein differentielles Matching an 100 Ohm. Das Netzwerk 
habe ich so aus einem Forenbeitrag abgekupfert und nur zur Kontrolle mal 
simuliert.
Das habe ich damals so aufgebaut und es tut auch. Ich habe nie 
nachgemessen, wie "gut", da mir das Equipment damals fehlte.

ich gehe von einer differentiellen Ausgangsimpedanz von (15-88j) Ohm 
aus. das hat für das differentielle Matching auch gut funktioniert.

Nun stehe ich vor dem Problem, dass ich das NRF24L01+ single ended an 50 
Ohm matchen will. Das wird von der Standardschaltung im DB gezeigt.

Leider kann ich egal was ich mache, das Matching Framework im DB 
simulativ nicht mal im Ansatz zu einem Matching bringen.

matching-network-db.png zeigt das Netzwerk im Datenblatt. Ich habe 
gerade keinen Zugriff mehr auf ADS und werde heute Abend das Netzwerk in 
Qucs simulieren und die Graphen nachreichen.

Ich verstehe nicht, wie das Netzwerk im Datenblatt funktionieren kann. 
Kann mich da jemand aufklären?

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Ich hatte das hier mal versucht, für den RFM12 nachzuvollziehen, im 
Smith-Diagramm sah es vernünftig aus:
https://www.mikrocontroller.net/articles/RFM12#Antennen-Anpa.C3.9Fnetzwerk

[M. Н. (Gast)]

Die generelle Topologie scheint schon zu passen. Mein Problem liegt an 
den konkreten Werten.

Ich gehe  von einer Ausgangsimpedanz von 15-j88 Ohm aus. Da passt dann 
das im Datenblatt gegebene Netzwerk überhaupt nicht dazu. Damit kommt 
man nichtmal im Ansatz in die Mitte des Smith-Diagrams. Es ist, als wäre 
die Annahme der 15-j88 Ohm falsch, was sie aber augenscheinlich nicht 
ist, da ich bereits ein differentielles Anpassnetzwerk erfolgreich in 
Betrieb habe.

Mein Problem konkret:
Mache ich es wie im DB und akzeptiere, dass ich es nicht verstanden habe 
und auch null nachvollziehen kann,

ODER designe ich ein eigenes Netzwerk, das simulativ zwar geht, aber 
dann eventuell in der Praxis nicht tut.

Für mich passen die Angabe der Ausgangsimpedanz und das Matching 
Netzwerk nicht zusammen. Irgendwas stimmt da nicht. Heute Abend werde 
ich meine Simulationen mal anhängen. Aber S-Parameter von der 
Größenordnung S11 = -2dB und S21 = -12 dB sind definitiv nicht 
angepasst.

[M. Н. (Gast)]

Ich habe nun mal in Qucs das differentielle Matching auf 100Z 
nachsimuliert. Das deckt sich soweit mit den obigen ADS Simulationen.

Ein Problem, das ich hatte war es, in Qucs eine komplexe Quellimpedanz 
anzugeben. Das scheint er nicht zu fressen. Ich habe daraufhin die 
Quellimpedanz in 15 Ohm für den Port und einen Vierport mit der Reaktanz 
-88j Ohm umgewandelt.

(Ich habe gerade festgestellt, dass der LAtex Formel-Support hier im 
Forum keine Matrizen rendert...). Ich habe die Kettenparameter zu A11 = 
1, A12 = -88j Ohm, A21 = 0, A22 = 1 gewählt, was einer Längsimpedanz von 
-j88 Ohm entspricht.

Die Dateien differential-*.png zeigen das differentielle Match und die 
Simulationsergebnisse.


Nun zum von Nordic im Datenblatt vorgeschlagenen Matcvhing Netzwerk.
Die Bilder "single-ended-*.png" zeigen Schaltplan und die S-Parameter.
Das Ergebnis sieht furchtbar aus.
Ich habe auch schon einiges probiert: Serienwiderstände in L und C, kien 
idealer RF-Short an der 2.7 nH Induktivität etc. Es ändert sich nichts 
nennenswert an den Ergebnissen.


Ist meine Simulation falsch? Warum kommt so ein Mist dabei heraus? Ist 
das Matching-Netzwerk im Datenblatt falsch?

[mitlesa (Gast)]

M. H. schrieb:
> Ist meine Simulation falsch? Warum kommt so ein Mist dabei heraus? Ist
> das Matching-Netzwerk im Datenblatt falsch?

Ist denn das Netzwerk nicht auf die gedruckte Antenne auf
dem vorgeschlagenen Board-Layout bezogen? Diese Antenne
muss ja nicht auf 50 Ohm ausgelegt sein ....

[Robert M. (r0bm)]

M. H. schrieb:
> Ich habe nun mal in Qucs das differentielle Matching auf 100Z
> nachsimuliert. Das deckt sich soweit mit den obigen ADS Simulationen.

Sieht gut aus, zumindest im Idealfall.

M. H. schrieb:
> Ein Problem, das ich hatte war es, in Qucs eine komplexe Quellimpedanz
> anzugeben. Das scheint er nicht zu fressen. Ich habe daraufhin die
> Quellimpedanz in 15 Ohm für den Port und einen Vierport mit der Reaktanz
> -88j Ohm umgewandelt.

Du kannst S11 auch ohne Klimmzüge bestimmen. Das Netzwerk muss dazu 
leicht umgebaut werden (Massepunkt verschieben), s. Anhang. Der Realteil 
stimmt schon recht gut, am Blindanteil muss noch Hand angelegt werden.

[M. Н. (Gast)]

mitlesa schrieb:
> Ist denn das Netzwerk nicht auf die gedruckte Antenne auf
> dem vorgeschlagenen Board-Layout bezogen? Diese Antenne
> muss ja nicht auf 50 Ohm ausgelegt sein ....

Im Datenblatt steht am Abgang des Netzwerks "50 Ohm"

[M. Н. (Gast)]

Hallo zusammen,

ich habe versucht mich im Nordic forum anzumelden und meine Fragen dort 
zu klären. Aber sie schicken mir einfach keine Bestätigungsmail für den 
Account :(

Sei's drum. Egal was ich annehme an Parasiten, das Matching Netzwerk aus 
dem Datenblatt kommt auf keine 50 Ohm.

Hat noch jemand eine Idee, woran es liegen könnte, dass Simulation und 
offensichtliche Wirklichkeit nicht so wirklich zusammen passen?

Ich frage so dumm, weil ich das Matching des NRF24L01+ auf eine Antenne 
Anpassen muss, die keine 50 Ohm besitzt. Dafür hätte ich gerne erstmal 
das bestehende Netzwerk halbwegs "verstanden".

[Robert M. (r0bm)]

M. H. schrieb:
> Sei's drum. Egal was ich annehme an Parasiten, das Matching Netzwerk aus
> dem Datenblatt kommt auf keine 50 Ohm.

Ja, leider transformiert das Netzwerk nicht auf 50 Ohm und was 
vielleicht noch wichtiger ist, auch nicht von differenziell auf 
single-ended. Speist man am 50 Ohm Port eine Spannung ein, sind die 
Spannungen am differenziellen Port, bei korrekter Belastung, weder 
gleich noch 180° phasenverschoben.

Im folgenden Whitepaper wird das Anpassnetzwerk (sehr) kurz beschrieben, 
doch die Beschreibung (S.1 unten und S.2 oben) ergibt keinen Sinn.

https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nwp_013.pdf?cp=12_14

Als Test habe ich ein eigenes LC-Netzwerk für 2450MHz entworfen, über 
welches auch gleichzeitig die Betriebsspannung zugeführt werden kann. 
Die Ausgangsimpedanz des NRF24L01+ (532 Ohm || 0,715 pF) wurde in 2 x 
(266 Ohm || 1,43 pF) gesplittet. Der kapazitive Anteil des NRF wird mit 
5,6nH kompensiert. Es folgt ein LC-Balun. Damit sich halbwegs praktische 
Werte für L und C ergeben, wird von 532 Ohm (differenziell) auf einen 
niederohmigen Wert von ca. 7 Ohm (single-ended) transformiert. Anpassung 
auf 50 Ohm übernimmt eine L-Schaltung (1,5 nH / 3 pF) am Ausgang.
Wegen des hohen Transformationsverhältnisses ist das Netzwerk 
schmalbandig und insgesamt eher akademischer Natur. Mit realen Bauteilen 
wird die Anpassung, wie auch die Mittenfrequenz, recht schnell daneben 
liegen und deshalb schwer abzustimmen sein.
Die SPICE Simulation zeigt jedoch, dass das Netzwerk einwandfrei 
funktioniert. Die Spannungen am differenziellen Port sind sowohl gleich 
als auch 180° phasenverschoben.

M. H. schrieb:
> Ich frage so dumm, weil ich das Matching des NRF24L01+ auf eine Antenne
> Anpassen muss, die keine 50 Ohm besitzt.

Eine einfache jedoch kostenintensivere Lösung wäre, dein (oder ein 
ähnliches) symmetrisches Netzwerk zu nehmen und an dessen Ausgang ein 
Balun (z.B. 100 Ohm : 50 Ohm) vorzusehen. Danach kannst du mit einem 
PI-Glied auf einer beliebigen Antennenimpedanz transformieren.

Von Anaren gibt es für den NRF24L01(+) einen speziellen und sehr 
preiswerten Balun mit minimaler Zusatzbeschaltung:

https://www.mouser.com/datasheet/2/21/BD2425NNRF_DataSheet(Rev_B)-1221818.pdf
https://www.richardsonrfpd.com/docs/rfpd/Anaren_NordicRF-3001RevA_applicationsnote.pdf

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Muss man beim Matchen nicht von rechts nach links vorgehen? Also von den 
50 Ohm der Antenne ausgehend rückwärts bis zu den Anschlüssen am 
Senderausgang gehen. Damit kommt man idealerweise zur konjugiert 
komplexen Impedanz des Senderausgangs. Was die Antenne sieht ist erst 
mal egal.

[Robert M. (r0bm)]

Christoph db1uq K. schrieb:
> Muss man beim Matchen nicht von rechts nach links vorgehen? Also
> von den
> 50 Ohm der Antenne ausgehend rückwärts bis zu den Anschlüssen am
> Senderausgang gehen.

Normalerweise von der komplexen Impedanz nach 50 Ohm, geht aber auch 
anders herum. Was davon "rechts" und was "links" ist, ist nicht in Stein 
gemeißelt.

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Es geht doch darum, dass der Senderausgang eine leistungsangepasste Last 
sieht, nicht dass die Antenne rückwärts eine 50 Ohm Quelle sieht. Die 
Quelle, also der Sender darf auch einen fehlangepassten Innenwiderstand 
haben, das schadet nur, wenn von der Antenne etwas zurückläuft, dann 
gibt es Mehrfachreflektionen.

[M. Н. (Gast)]

Christoph db1uq K. schrieb:
> Es geht doch darum, dass der Senderausgang eine leistungsangepasste Last
> sieht, nicht dass die Antenne rückwärts eine 50 Ohm Quelle sieht. Die
> Quelle, also der Sender darf auch einen fehlangepassten Innenwiderstand
> haben, das schadet nur, wenn von der Antenne etwas zurückläuft, dann
> gibt es Mehrfachreflektionen.

Wenn man in erster Linie von einem passiven verlustfreien Netzwerk 
ausgeht, dann sind beide Betrachtungsweisen äquivalent und einfach nur 
die zwei Seiten der selben Medaille.

Wenn man den "Eingang" auf die komplex-konjuierte Impedanz des Senders 
frickelt mit angeschlossener 50 Ohm Antenne, dann sieht man umgekehrt 
von der Antenne aus gesehen auch 50 Ohm rein.

Diese Sichtweise ist auch technisch angebracht, da das Modul ja auch 
empfängt ;)

[M. Н. (Gast)]

Wen es interessiert, wie ich das Problem gelöst habe:

Gar nicht. Ich bin gedanklich keinen cm weiter. Ich habe resigniert und 
einen fertigen Balun genommen, der für das NRF24L01 konzipiert wurde.

:)

Trotzdem Vielen Dank für eure Ideen.