WiFi接口开发的高级技巧
作者: Heinz Zenkner 博士，伍尔特电子独立顾问
将 WiFi 接口集成到所有应用中
对于物联网而言，通过 WiFi 来连接设备非常普遍。但是高性能 WiFi 连接需要针对 RF 的电路设计，其中必须仔细考虑元件、PCB 设计和布局以及天线匹配等因素。
由于物联网应用的兴起和控制的去中心化，需要在传感器等外围设备中集成无线连接，从而与中央控制器进行数据通信，这对于许多开发人员而言是一个挑战。无线连接的优点很明显：无需电隔离或布设固定线缆。需要高质量的无线网络才能确保即使在干扰严重的环境中也能进行安全稳定的通信。高质量的 WiFi 连接需要针对 RF 进行设计才能同时满足 EMC 和信号完整性要求。
避免天线反射
WiFi 控制器以数字方式运行，它不仅会在 Tx 输出端口产生需要的信号，还会产生谐波干扰信号。同时还有由传输路径不匹配引起的干扰。理想情况下，从驱动输出到天线的路径阻抗应为 50 Ω。为了降低谐波干扰和改善匹配，人们常常会对 WiFi 接口的发送和接收路径采取一些措施，例如使用滤波器和匹配网络等。
选择适合射频的滤波器元件
在电路中，电容、电感和电阻等元件的组合会产生不同的阻抗。在高于 500 MHz 的频率范围内使用滤波器元件时，需要重点关注最重要的元件特性。
500 MHz 以上的射频电容
只有某些类型的电容适用于高频应用，例如 WCAP-CSRF 系列（料号 885392005010）。其规格书中的电气参数在如图 1 所示，包括谐振频率、ESR、直流偏置漂移和温度漂移。这些参数也可以在在线仿真平台“REDEXPERT”（redexpert.we-online.com）上进行仿真。
图1：3-pF HF 电容 WCAP-CSRF 885392005010 的电气特性。
500 MHz 以上的射频电感
天线匹配通常会使用不带铁氧体磁芯的电感，而EMI 滤波器通常会使用带铁氧体磁芯的电感。在电感使用了铁氧体磁芯的情况下，必须根据阻抗曲线仔细选择铁氧体材料。
对于低损耗天线匹配网络的滤波器或类似的射频应用，WE-KI 系列电感非常适合。为了实现高品质因数和高谐振频率，这些元件使用陶瓷材料（表 1）。
表1：SMD 电感 744761110A 的特性（数据来自规格书）
创建 WiFi 接口
图 2 展示了一个带有 WiFi 接口的 IoT 电路例子。有限功率的辐射源（如收发器）可以实现的无线电覆盖范围在很大程度上取决于天线设计、封装和 PCB 布局。在实践中，大多数产品都配备了一个收发器芯片，它结合了发送和接收功能。当然，这意味着天线匹配、馈线和天线本身都同时用于发射和接收操作。接收通道通常具有较宽的动态范围，灵敏度 > 95 dB ，天线有 3 - 4 dB 的灵敏度降低。增益调整可以补偿由于失配造成的损失。发射操作至关重要，如果天线的灵敏度降低 3 dB 或发射输出级和天线之间的路径上损耗增加 3 dB，就需要发射器输出两倍的功率。即使 Tx 芯片能够输出两倍的发射功率，也会不可避免地导致高电流消耗以及发射的信号中包含更高比例的谐波干扰，甚至可能会导致 EMC 问题。值得注意的是，收发芯片或通信模块的制造商通常会在规范中指定最合适的天线。这是为了确保符合 RED 指令 2014/53/EU 的适用标准，同时考虑到可行性。
图2：物联网电路板上的 WiFi 接口电路
陶瓷芯片天线
陶瓷芯片天线具有几个优点：它的尺寸很小，不易受到附近元件的电磁干扰；无需仿真即可轻松更改电路板设计或布局；可以简单地修改天线甚至更换为不同的天线。GPS 和 2.4 GHz 等移动和高频应用经常使用陶瓷天线。图 3 展示的是适用于 WiFi 连接的 WE-MCA 多层片式天线。
图3：各种设计的 WE-MCA 多层片式天线
最大化传输功率
当源阻抗等于负载阻抗时，传输功率最大。这意味着发射器输出的源阻抗为 ZT，它向阻抗为ZL的电路路径传输功率，ZL 应与 ZT 相等。功率传输到阻抗为 ZA 的天线，理想情况下天线的阻抗应该与馈线和源的阻抗相同。当所有阻抗都具有相等的值时，就会达到最大传输功率。如果匹配不佳，收发器发送的幅度为 VIN 的信号进入电路路径，只有一部分信号会到达天线，剩余的信号会在源和馈线之间或馈线和天线之间的不连续处反射。
通过加入匹配网络（通常是 π-、T-、LL- 或 LC-网络）可以大幅减少这种失配。匹配网络的电容值和电感值通常在 pF 和 nH 范围内。从 0.5 pF 到 20 pF， 和 0.5 nH 到 20 nH 范围的样品组合非常有用。因此WiFi 接口的布局中必须包含天线匹配网络放置的位置。
在图 4 所示的示例中，天线位于电路板的角落。天线不会被其他的元件所包围，从而获得良好的天线性能。
图4：WiFi 接口板天线区域的部分布局
在这一案例研究中，对 WE-MCA 多层片式天线（料号 7488910245）进行了匹配以实现最大功率传输。
关于作者
Zenkner 博士是伍尔特电子的独立顾问，作为 EMC 专家专门从事技术营销和应用工程工作。
