868MHz Impedanzmatching - Fragen zum Matching-vorgehen

[Manuel N. (manuelambaum)]

Hallo,

Habe mich an einer RF-Schaltung für LoRa auf 868MHz versucht. Habe mit 
einem Nano-VNA versucht alles auzumessen und das RF-Matching sauber zu 
machen. Im Anhang befinden sich Bilder des VNA's, sowie der Schaltung. 
Da ich sehr ungeübt mit RF-Matching bin, habe ich einige Fragen zu 
meiner Vorgehensweise, welche ich gerne erklärt hätte.

Allgemeines zur Schaltung:
Habe die L-C-Werte aus dem AN5457 von ST-Link genommen und die für 
868MHz errechneten werte als Ausgangswerte genommen.

Allgemeines zur Messung:
Habe die Antenne, RX-Pfad (Balun) und TX-Pfad ausgemessen. Habe dazu den 
RF-Switch ausgelötet und von dort aus jeweils in Richtung RX-Schaltung, 
in Richtung TX-Schaltung und in Richtung der RF-Antenne jeweils getrennt 
voneinander gemessen. Die Schaltung lag offen rum, also nicht in einem 
Gehäuse verbaut. Den VNA habe ich vor den Messungen kalibriert und das 
E-Delay entsprechend für mein Mess-Kabel eingestellt, damit es ungefähr 
gepasst hat.

Fragen zum Antennen-Matching:
Die Antenne hatte im unmatched zustand eine Resonanzfrequenz von ca. 
915MHz, obwohl sie gem. Hersteller für 868MHz sei. Was Könnte der Grund 
sein, dass die Resonanzfrequenz ca. 45MHz höher war, als erwartet? P.S. 
ja ich weiss, dass 915MHz auch eine gängige RF-Frequenz ist, jedoch 
glaube ich, dass das wohl eher Zufall war ;). Habe ein eher grösseres 
PCB, resp. GND-Plane. Dies hat etwa die Masse von 100x90mm, schiebt das 
die Resonanzfrequenz hoch? Habe die Antenne freihängend getestet, also 
keine Objekte die sich in unmittelbarer nähe seitlich zur Antenne 
befanden.

Fragen zum RX-Matching:
Habe Wider erwartens einen meines Erachtens eher grösseren 
Shunt-Kondensator gegen GND einfügen müssen (C75 - 4.3pF). Kann mir 
jemand Gründe nennen, warum bei mir ein Shunt-Kondensator sehr viel 
genützt hat? Gem. AN5457 würde ein C-Shunt von 0.7pF...1.2pF gegen 
"harmonic energy" helfen.

Fragen zum TX-Matching:
Habe zum Messen des TX-Pfades den L13, C78 und C79 ausgelötet, da diese 
vom VR_PA stammen (power amplifier). Das auslöten von C78 und C79 hatten 
interessanterweise auch einen einfluss auf die Impedanz des TX-Pfades, 
obwohl zu diesem Zeitpunkt bereits L13 ausgelötet und somit der VR_PA 
aufgetrennt war. War meine Vorgehensweise so korrekt? C77 war bei mir 
effektiv deutlich kleiner ausgefallen als angenommen und C75 habe ich 
ganz weggelassen. Was ist die Erklärung dafür?

Bin noch nicht zum Schaltungs- resp. Kommunikationstests dazugekommen, 
werde dies in den nächsten Tagen machen. Bis dort hin würde ich mich 
freuen über Feedbacks und Anregungen zu meinen Messresultaten und 
Messvorgehen. Vielen Dank im Vorraus für euren Support

[Helmut -. (dc3yc)]

Ein Foto von deinem Aufbau / deiner Antenne würde viel helfen!

[Hadmut F. (hadmut)]

Manuel N. schrieb:
> Resonanzfrequenz von ca.
> 915MHz, obwohl sie gem. Hersteller für 868MHz sei.

Das ist uebliches vorgehen. Kauf die bei händler der explizit zwischen 
915 und 868 unterscheidet dann bekommst du vielleicht 868.
https://de.aliexpress.com/item/1005006712431967.html

Du kannst bei den 915 "sleeve dipole" die plastikkappe abziehen (nicht 
biegen, darunter ist kupferrohr !) und den strahler etwas verlängern. 
Das bringt dich in etwas unsymmetrische 868m.

Idealerweise auch die "sleeve", das kupferrohr nach unten etwas 
verlängern, ist aber mechanisch schwierig.

[Manuel N. (manuelambaum)]

Helmut -. schrieb:
> Ein Foto von deinem Aufbau / deiner Antenne würde viel helfen!

Siehe Anhang. Kann noch weitere Bilder zukommen lassen falls nötig. 
Wichtig: Nur der U.FL-Anschluss ist verbunden. Das Koax-Kabel zum VNA 
ist ca. 7cm lang.

[Hobby B. (bastler2022)]

Manuel N. schrieb:
> Bis dort hin würde ich mich
> freuen über Feedbacks und Anregungen zu meinen Messresultaten und
> Messvorgehen.

Hallo,

ob das was Du gemessen hast bei dem Messaufbau so stimmt?
Schau Dir mal den Bildausschnitt an.

Reinige mal da PCB und .....

[Manuel N. (manuelambaum)]

> Hallo,
>
> ob das was Du gemessen hast bei dem Messaufbau so stimmt?
> Schau Dir mal den Bildausschnitt an.
>
> Reinige mal da PCB und .....

Da gebe ich dir recht. Habe sehr viel rumlöten müssen und irgendwann war 
da ein ziemliches Schlachtfeld. Bin mir dennoch relativ sicher, dass ich 
sauber gemessen habe

[Michael F. (michael_ng)]

Mit wenig Erfahrung ist so ein Schaltungsdesign selbst mit guter 
Messtechnik extrem schwer zu optimieren.

Antenne:
Noch einfach. Erst einmal ein Datenblatt besorgen. Handelt es sich um 
einen Dipol? Wahrscheinlich nicht, also fehlt vermutlich die 
Groundplane.

RX:
Mit einem Nano-VNA nicht vernünftig zu messen. Z.B.: Mit dessen 
Generatorpegel übersteuert man den LNA extrem. Außerdem wird auch hier 
schon etwas in Richtung Rauschanpassung optimiert. Auch die Inbalance 
(Balun-Funktion) ist so nicht sinnvoll zu bewerten.

TX:
Das Durchmessen des Pfades bringt nicht viel. Wie in der Appnote 
beschrieben baut man das Design vom PA Switch zum Ausgang hin auf.
Zur Optimierung und Anpassung auf ein eigenes Layout interessieren meist 
nur noch max. Ausgangspegel, Stromaufnahme und Spurious. Dafür braucht 
man Tuner, SA und Geduld / Erfahrung.


Empfehlung:
Für ein Produktdesign gibt es eigentlich keinen Grund nicht das 
passenden IPD zu verwenden (siehe AN6322).
 https://www.st.com/resource/en/application_note/an6322-guidelines-to-select-the-right-ipd-balfhblbwl0xd3-for-stm32wl5xex-reference-design-stmicroelectronics.pdf

Und selbst dann gibt es noch "Herausforderungen".

[Niklas G. (erlkoenig)]

Michael F. schrieb:
> Empfehlung:
> Für ein Produktdesign gibt es eigentlich keinen Grund nicht das
> passenden IPD zu verwenden (siehe AN6322).

Oder gleich das STM32WL5MOC oder Wio-E5 🙃

[Ralf L. (ralfmitkurzschluss)]

Die gemessene Antennenresonanz bei 915 MHz statt 868 MHz liegt sehr 
wahrscheinlich an der unterschiedlichen Ground-Plane-Größe, der offenen 
Messumgebung und Fertigungstoleranzen – das ist bei Antennenabstimmungen 
völlig normal. Eine größere GND-Fläche kann die Resonanz deutlich nach 
oben verschieben. Auch Kalibrierfehler oder Messkabel-Einflüsse können 
ein paar MHz verursachen.
Der größere Shunt-Kondensator im RX-Pfad deutet darauf hin, dass reale 
parasitäre Induktivitäten, Balun-Eigenschaften und Layout-Effekte eine 
stärkere kapazitive Kompensation erfordern als im ST-Application-Note 
angenommen.
Das Entfernen von C78/C79 im TX-Pfad hatte Einfluss, weil Pads, Vias und 
Layout-Kopplungen selbst nach dem Auslöten reaktive Effekte erzeugen.
Dass C77 kleiner ausfiel und C75 entfallen konnte, zeigt, dass bereits 
genügend parasitäre Kapazität im Layout vorhanden ist.
Insgesamt war deine Messvorgehensweise richtig – wichtig ist nur, die 
Kalibrierung exakt bis zur Messstelle durchzuführen und möglichst in der 
finalen Einbausituation zu messen.
Verwende für künftiges Tuning kleine Trimmer-Cs, um den Zielpunkt 
schnell zu finden.
Beim späteren Testen unter realem Betrieb kann sich das Matching 
nochmals leicht verschieben.
Achte beim Kommunikationstest auf reale Ausgangsleistung und RSSI, nicht 
nur auf gutes S11.
C0G/NPO-Kondensatoren und kurze Leitungswege verbessern die 
Reproduzierbarkeit.
Alles in allem sieht dein Ansatz für einen ersten Matching-Versuch sehr 
solide aus.