868MHz Impedanzmatching - Fragen zum Matching-vorgehen

Manuel N. #7959893
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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

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Hadmut F. #7959899
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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.

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Manuel N. #7960032
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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

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Michael F. Persönliche Seite #7960076
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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".

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Ralf L. #7960107
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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.

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Manuel N. #7963281
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Habe nun einige Kommunikationstests gemacht, die so naja waren. (siehe Anhang) Zu meinem vorgehen: Ich habe die mit dem VNA errechneten Matching-Werte auf einem neuen, frischen PCB angewendet und so die Kommunikation getestet. An dem Board war nie ein VNA angeschlossen.

Mein Copilot sagte mir, dass allenfalls die Frequenzabweichung ein Problem sei, also dass der 32MHz-Oszillator zu ungenau sei. Gemäss Datasheet verspricht dieser ±10ppm (ist jedoch chinesischer Marke). Was meint ihr dazu? Hab mir nun bei mouser zwei drei TCXO's mit ±2ppm bestellt und teste das ganze dann noch mit diesen.

Wenn ich von meinem Board zum EVALBOARD sende, erhalte ich ein RSSI von ca. -100 (test conditions im .PDF-Anhang). Wenn ich auf meinem Board empfange, erhalte ich -80. Dies würde dafür sprechen, dass mein gematchter RX-Pfad besser abgestimmt ist, als mein TX-Pfad oder?

Ich möchte nun meinen VNA am Board anschliessen, wo ich die Kommunikationstests durchgeführt habe. Schädige ich dadurch den MCU / Matching-Netzwerk? Was muss ich beachten? Möchte danach eigentlich am gleichen Board erneut Kommunikationstests durchführen können.

Was könnte ich sonst noch austesten? Danke im Vorraus für eure Unterstützung

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Manuel N. #7963463
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Kleines Update zu meiner vorherigen Nachricht: Habe ein weiteres frisches Board genommen und die bereits herausgefundenen LC-Werte auf diesem ebenfalls angepasst, damit es stimmen müsste. Habe nun Kommunikationstests ohne EVALBOARD durchgeführt und kam auf folgendes:

Messbedingungen: (gleich wie vorheriger Versuch) Freie Sicht 1.8m RX-TX-Distanz Sendeleistung von -17dBm FECR 4/4 Frequenz: 868MHz Preamble von 20 Payload: 20 bytes

Messergebnisse: (jeweils mit bandwidth von 7kHz bis 500kHz getestet) SF5-SF9: Keine Kommunikationsfehler, SNR von 12-14 und RSSI von -80 bis -85 SF10: Keine Kommunikationsfehler, SNR von ca. 5 und RSSI von ca. -80 SF11: Keine Kommunikationsfehler, SNR von 7-8 und RSSI von - 80 bis -85 SF12: Zwischen Bandweiten von 30 bis 500kHz keine Kommunikationsfehler, darunter kam selten der Falsche Wert an (wenige der 20 bytes waren falsch), SNR von 4-5 und RSSI von -80 bis -90.

Wie schätzt ihr diese Ergebnisse ein? Ich habe den Eindruck, dass das RSSI auf diese Bedingungen besser sein dürfte, wie seht ihr das?

Danke im Vorraus

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