环境温度对电压驻波比影响的理论分析

刘　淼

(天津电子信息职业技术学院，天津 300350)



环境温度对电压驻波比影响的理论分析

刘淼

(天津电子信息职业技术学院，天津 300350)

摘要目前设计的射频通信板一般都具有天线端口的信号驻波比检测功能。在高低温环境下，单板检测到的驻波比值与常温相比会发生变化。如果单板设计不良，这种变化有可能导致天线在位状态的误判，这种误判将严重影响单板的正常通信功能。该文以一款实际使用的射频通信板为例，详细分析了环境温度，微带线特性阻抗和微带线电长度等因素对驻波比的影响机制，为包含驻波比检测功能的单板提供理论性的设计依据。

关键词电压驻波比；环境温度；特性阻抗；电长度

0引言

随着无线通信系统和无线应用产品的发展，大容量、超宽带及多功能的综合信息系统得到人们的广泛关注，而作为通信系统重要组成部分的射频单元，因其具有的数模转换、频谱调制和功率放大等功能，一直是研究的热点[1,2]。远距离通信的发展使得通信系统的功耗不断加大，调整射频端单元端口的驻波比作为一种功耗控制手段[3,4]应用在天线等设备中[5,6]。通信设备都有设定的工作温度范围，环境温度对射频通信板性能一定的影响[7,8]，尤其对具有驻波比检测功能的通信板，这种影响有可能导致天线在位状态的误判，进而严重影响设备的正常通信功能。该文以一款实际使用的射频通信板为例，通过理论推导，细分析了环境温度，微带线特性阻抗和微带线电长度等因素对驻波比的影响机制。在理论分析的基础上，该文提出单板在PCB制作过程中的若干设计要点，据此可以尽可能减小环境温度对端口驻波比的影响，为包含驻波比检测功能的单板提供理论性的设计依据。

1问题背景

某应用于超高频RFID阅读器的射频通信板，工作在UHF频段(840~845 MHz，920~925 MHz )，单板采用R-4板材的基板。单板的发射和检波链路框图如图1所示。

如图1所示，调制信号经功放放大后，通过环形器，低通滤波电路，耦合器和天线控制开关后从天线口发射出去。RFID阅读器射频通信板(以下简称单板)的工作方式是全双工，天线同时发送和接收，单板共有4条发射和接收链路(1，2，3，4)，其中链路1和4在PCB板上的layout走线稍长，链路2和3的layout走线稍短。正常工作时，单板通过天线控制开关依次选取各个链路(4选1)进行信号的收发。单板终端焊接BMA接头，通过接头与天线或负载相连接。

单板的驻波比检测功能是通过检波管完成的。发射采样信号通过功放-环形器之间的微带线耦合得到，接收采样信号通过环形器3端口的微带线耦合得到，两路信号经过采样和衰减网络后取得合适值输入给检波管，检波管输出的电平信号经模数转换输入给数字基带进行处理，数字基带通过计算得到驻波比值。

由于环形器到天线口之间的插损较大，故取环形器2端口截面的驻波比代替天线口驻波比来给定单板的驻波比值。规定驻波比门限，并以此判断天线的在位状态(驻波比值≤门限，天线在位；驻波比值>门限，天线不在位)，根据小批量测试，确定单板的驻波比门限是1.6。

调试中从环形器2端口往天线口看的驻波比范围是1.2~1.25，天线自身驻波比是1.2，二者级联后的驻波比最大可达1.5(1.25*1.2)在在位判断门限以内。但在高低温环境的测试中，发现单板的驻波比波动后可能超过门限，引起天线在位状态的误判。

2环境温度对驻波比影响的理论分析

高低温实验时的变量只有温度，显然温度对单板驻波比产生了影响，所以问题就是搞清楚温度对驻波比的具体影响途径，并从理论上分析出减小这种影响的方法。

单板基板采用普通的FR-4板材，其优点是价格便宜，性价比合适，缺点是介电常数不稳定，高频损耗大。一般用于对损耗要求不高和一致性要求不严格的普通射频板。FR-4基板的介电常数随着温度的变化而变化。根据经验，在正常的工作温度范围内，其介电常数与环境温度的关系基本呈线性，环境温度每升高10℃，介电常数降低约0.1。

2.1　微带线特性阻抗对驻波比的影响

温度可以通过改变微带线特性阻抗来影响驻波比。建立单板的天线控制开关与单板终端之间的微带线模型，如图2所示。根据实际尺寸，微带线宽W=0.9 mm，厚度T=0.035 mm，顶层和参考地层之间FR-4介质层的厚度H=0.505 46 mm，微带线长L对特性阻抗无影响，这里给定L=200 mm。

图2　微带线模型

单板的工作温度范围是-35℃～+65℃。常温工作时(25℃)，FR-4基板的介电常数εr=4.5 按照微带线特性阻抗公式[9]：

w/h>1，

有效介电常数：

计算出常温时(25℃)Z0=49.97 Ω。

为了说明温度对微带线特性阻抗的影响途径，建立微带线与负载的传输线模型，如图3所示。ZL是负载(BMA接头)的特性阻抗，Z0是从环形器到负载之间微带线的特性阻抗。为了简化这个模型只有Z0和ZL，没有考虑环形器到接头之间的匹配网络。

图3　微带线与负载的传输线模型

由于温度每升高10℃，基板介电常数降低约0.1。由此计算出，高温(65℃)时基板的介电常数变为εr=4.2，Z0=52.02 Ω；低温(-35℃)时基板的介电常数变为εr=5.2，Z0=47.3 Ω。实测单板终端BMA接头的阻抗ZL=r+jx=65.2+j*20.5 Ω，分别计算出：常温VSWR=1.56；高温VSWR=1.54；低温VSWR=1.62由此可以看出，环境温度可以通过改变微带线的特性阻抗，来间接影响单板驻波比；减小基板的介电常数εr可以减小驻波比，提升单板的发射效率。

2.2　微带线电长度对驻波比的影响

图4　源阻抗和负载阻抗的传输线模型

当满足共轭匹配条件时，ZL=ZS*，此时发射系数Γ=0，电路无反射，实现最大功率传输。建立源阻抗、负载阻抗和匹配网络的传输线模型，如图5所示。

图5　源阻抗、负载阻抗和匹配网络的传输线模型

无源匹配网络由串联容感(Cs,LS)和并联容感(Cp,Lp)等无源器件组成，匹配的目的是将ZL通过阻抗变换转化为ZS*，实现共轭匹配，这一过程可以显示在Smith圆图上，如图6所示。

图6　阻抗变换过程

ZS*为环形器的输出阻抗，查看器件手册其输出阻抗等于50 Ω，匹配网络经过若干次阻抗变换将ZL引到圆心。图中VSWR=1.5是负载阻抗ZL所在的等反射系数圆。建立微带线阻抗和负载阻抗的传输线模型，如图7所示。

图7　微带阻抗和负载阻抗的传输线模型

ZL和Γ是负载阻抗和反射系数;Zin和Γ′是经过一段微带线后的输入阻抗和反射系数。假定微带线特性阻抗Z0为常数。微带线长为l,电长度θ=l/λ。

有效介电常数为：

式中，εr随环境温度发生变化；zin与z相比模不变，相位沿着以|Γ|为半径的等反射系数圆顺时针转动-2βl。因此，负载归一化输入阻抗zin经过相同的匹配网络(图6中 1→2→3→4的阻抗变换过程)，将不能阻抗变换到圆点，不能实现共轭匹配，因此使单板端口的驻波比变大，发射性能变差。在相同的环境温度下，驻波比变化的程度随微带线长度l的增大而增大，由于单板终端链路1、4比2、3的layout走线稍长，因此1、4端口的单板驻波比变化更明显，这和实测结果相符。因此在单板设计中应尽量缩短信号走线的长度。

此外，通过转动角度：

可以得出，减小转动角度，即减弱阻抗失配对单板驻波比影响的另一个方法是减小介电常数εr。因此在单板设计时可以考虑在主信号走线的平面上混压微波板材(常用RO4350)，其特点是介电常数小(εr=3.48)且随温度的变化率小于FR-4基板，其稳定的介电常数确保驻波比在高低温下具有更好的稳定性，防止因驻波比变化过大引起单板终端天线在位状态的误判。

通过

可以计算出驻波比随温度、介电常数和微带线长度的变化率。

3结束语

从理论上分析了影响单板驻波比的各种因素的作用途径和影响机制，通过结论可知，正是环境温度对微带线特性阻抗和微带线电长度的改变，使得单板驻波比在高低温时呈现一定的变化，当单板设计没有对这种变化做相应优化时，可能造成终端天线在位状态的误判，从而影响设备正常的通信工作。本文在驻波比的稳定性设计方面给出了具体的建议，对类似驻波比问题的分析与解决有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]姜海玲.复杂电磁环境下射频前端的设计与实现[J].无线电工程,2013,43(7):32-34,40.

[2]王智，陈宝林.基于VEE的射频模块自动测试系统设计[J].无线电工程,2014,44(6)：77-80.

[3]高飞，张晓平，曹必松，等.CDMA-800MHz频段低温低驻波比放大电路设计[J].电子学报2005,33(9)：1 626-1 628.

[4]李鹏，张丹，马红梅.模拟滤波器群时延及驻波比的优化设计[J].电讯技术,2012(6):50-53.

[5]梅立荣，张乃柏，马延爽，等.一种C波段宽带微带天线的设计与仿真[J].无线电通信技术,2014,40(4):64-66.

[6]刘淼.一种方向图可重构的槽缝天线的设计[J].微波学报,2014(30):180-183.

[7]屈扬.温度对微波T/R组件中关键器件电性能的影响分析[D].西安：西安电子科技大学,2014.

[8]宋江柱.射频同轴开关热特性分析与优化设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

[9]REINHOLD L,PAVEL B.RF Circuit Design:Theory and Applications[M].Pearson Education,2000.

刘淼女，(1983—)，硕士，讲师。主要研究方向：射频通信电路、可重构天线等。

Theoretical Analysis of Influence of Environment

Temperature on VSWR

LIU Miao

(TianjinElectronicInformationVocationalTechnologyCollege,Tianjin300350,China)

AbstractThe standing wave ratio detection function has generally realized on present design of radio frequency communication board.Under high and low temperature environment,the standing wave ratio detection is changed compared with normal condition.If the board is not designed well,the change will lead to wrong estimation of antenna status,and then the board will work unmorally.An inservice radio frequency communication board is used for example.This paper analyzes the mechanisms in detail which shows how standing wave ratio is influenced by temperature,microstrip line characteristic impedance and microstrip line electrical length.This paper provides theoretical design basis for board with function of standing wave ratio detection.

Key wordsvoltage standing wave ratio (VSWR);environment temperature;characteristic impedance;electrical length

作者简介

收稿日期：2015-03-07

中图分类号TN702

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0067-00

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.18

引用格式：刘淼.环境温度对电压驻波比影响的理论分析[J].无线电工程，2015，45(6)：67-69，73.