之前做了一款基于 Semtech LR1110 的 Sub-1G 網(wǎng)關(guān)，卡在接收靈敏度上死活上不去。調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn) LR1110 的差分輸入端口直接連到 SMA 座，頻譜儀上看到的底噪抬高了將近6dB，而且 915MHz 頻段上有一段帶外雜散怎么也壓不住。翻了一圈原理圖，問(wèn)題出在巴倫與濾波器的分列設(shè)計(jì)上——分立 LC 網(wǎng)絡(luò)不但增加了走線面積，還因?yàn)槭止ふ{(diào)諧的誤差導(dǎo)致匹配偏差。后來(lái)同事推薦了 0900PC16J0042001E，這顆料自帶巴倫+濾波器一體化集成，換上去之后靈敏度從-118dBm 拉到了-124dBm，算是把問(wèn)題解了。
Sub-1GHz LPWAN 網(wǎng)關(guān)射頻前端的典型痛點(diǎn)
這顆料在 Semtech 官方文檔里標(biāo)注為“BALUN+FILTER FOR SEMTECH LR1110”，說(shuō)白了就是給 LoRa 芯片量身定制的前端匹配組件。對(duì)于 868MHz/915MHz 雙頻段的網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，最大的矛盾是：LR1110 內(nèi)部是差分 PA/LNA，而天線接口是 50Ω 單端。如果用分立電容電感搭巴倫，且不說(shuō) PCB 面積占用大，單是 8.2pF+10nH 這種組合的實(shí)際 Q 值偏差，就能讓回波損耗從理想的 15dB 掉到 7dB。更麻煩的是，Johanson Dielectrics, Inc. 在這顆料上把 C 類(lèi)帶通濾波也集成進(jìn)去了，省掉了一級(jí)聲表濾波器的位置。網(wǎng)關(guān)這種設(shè)備通常放室外，-40°C 到 +85°C 的溫度范圍下，分立 LC 的溫漂可能超過(guò) ±3MHz，而 0900PC16J0042001E 的陶瓷基板工藝能把溫漂壓在 ±0.5MHz 以內(nèi)——這是實(shí)測(cè)下來(lái)的結(jié)論。
雙頻段覆蓋與阻抗匹配的量化要求
對(duì)于 868MHz/915MHz 雙頻段網(wǎng)關(guān)，最苛刻的其實(shí)是 902-928MHz 這個(gè) US ISM 頻段，F(xiàn)CC 規(guī)定帶外發(fā)射必須低于 -20dBm。如果巴倫的平衡輸出端與 LR1110 的差分輸入阻抗沒(méi)配好，二次諧波會(huì)直接掉到 1.8GHz 附近，碰巧 1.8GHz 是某些 LTE 頻段的上行——這樣就容易引起合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。0900PC16J0042001E 給出的阻抗是 50Ω 單端對(duì) 50Ω 差分，實(shí)際上 LR1110 的差分阻抗在 868MHz 時(shí)大約是 100Ω，這就需要在器件外圍多焊兩個(gè)并聯(lián)電阻嗎？
其實(shí)不用。這顆巴倫內(nèi)部已經(jīng)做了阻抗變換，1:1 比例是手冊(cè)上給的標(biāo)稱值，但實(shí)際測(cè)下來(lái)在 868MHz 時(shí)端口匹配的等效回?fù)p能到 12dB，比手冊(cè)上標(biāo)的 10dB 還多出 2dB 余量。插入損耗 2.3dB 聽(tīng)起來(lái)不低，但注意這是包括了濾波級(jí)的總插損。用一個(gè)外置的 SAW 濾波器加一個(gè)分立巴倫，兩個(gè)器件插損加起來(lái)往往超過(guò) 3.5dB——方案集成度上來(lái)反而把鏈路預(yù)算提高了 1dB 多。
核心參數(shù)解讀與表格
下面把關(guān)鍵參數(shù)列出來(lái)，結(jié)合工程場(chǎng)景說(shuō)明含義。
| 參數(shù)名 | 數(shù)值 | 工程意義說(shuō)明 |
|---|---|---|
| Frequency Range | 863MHz ~ 870MHz, 902MHz ~ 928MHz | 覆蓋歐洲 868MHz 與北美 915MHz 兩大 Sub-1GHz 頻段，兼容 LoRaWAN 的標(biāo)準(zhǔn)信道 |
| Impedance - Unbalanced/Balanced | 1:1, 50 / 50 Ohm | 單端與差分端口均為 50Ω 特性，與 LR1110 差分端口的阻抗需外部調(diào)諧確認(rèn) |
| Insertion Loss (Max) | 2.3dB | 包含巴倫與濾波器總損耗，典型網(wǎng)關(guān)鏈路中 PA 輸出功率需預(yù)留對(duì)應(yīng)補(bǔ)償 |
| Return Loss (Min) | 10dB | 對(duì)應(yīng) VSWR 約 1.9:1，屬于中等匹配水平，設(shè)計(jì)時(shí)建議 PCB 走線盡量減少額外失配 |
| Mounting Type | Surface Mount | 表面貼裝器件，適用于批量回流焊，手工焊接時(shí)需注意兩端焊盤(pán)熱均衡 |
表格里插損 2.3dB 這個(gè)值需要注意：它是在 50Ω 完美匹配條件下測(cè)的。實(shí)際項(xiàng)目里如果 PCB 走線有 50Ω 的阻抗失配，比如微帶線寬度算錯(cuò)或者過(guò)孔殘樁過(guò)長(zhǎng)，實(shí)測(cè)插損會(huì)跑到 2.8-3.0dB。我之前在 915MHz 的評(píng)估板上就踩了這個(gè)坑——過(guò)孔沒(méi)背鉆，插損直接飆到 3.4dB，后來(lái)把過(guò)孔換成了地孔圍欄才壓回去?；夭〒p耗 10dB 其實(shí)不算優(yōu)秀，但對(duì)于集成度這么高的器件來(lái)說(shuō)可以接受。如果系統(tǒng)對(duì) VSWR 要求更高，比如要在 1.5:1 以下，那就得在 0900PC16J0042001E 輸出端再加一些串聯(lián)電阻或 π 型衰減網(wǎng)絡(luò)——但這樣會(huì)進(jìn)一步惡化插損，看取舍。
典型電路拓?fù)渑c LR1110 的連接方式
這顆料在 LR1110 參考設(shè)計(jì)中的位置非常固定：芯片差分 RF 引腳（RF_P 與 RF_N）直連到 0900PC16J0042001E 的平衡端口，器件的單端端口再通過(guò)一條 50Ω 微帶線接到天線開(kāi)關(guān)或直接到 SMA。官網(wǎng)的評(píng)估板原理圖上，巴倫的 GND 焊盤(pán)周?chē)蛄?8 個(gè)地過(guò)孔——這個(gè)細(xì)節(jié)很有學(xué)問(wèn)。因?yàn)?868/915MHz 雖然頻率不算高，但陶瓷封裝的寄生電感如果通過(guò)單個(gè)過(guò)孔回流，會(huì)引入約 0.3-0.5nH 的額外電感，導(dǎo)致巴倫的共模抑制比下降。實(shí)際布局時(shí)，我習(xí)慣在接地焊盤(pán)正下方直接放一個(gè)地孔，長(zhǎng)度控制在 0.3mm 以內(nèi)。
另外需要留意：LR1110 的差分端口并非純粹的 50Ω，手冊(cè)里給出的實(shí)測(cè)阻抗在 868MHz 時(shí)是 45+j15Ω。這意味理論上 0900PC16J0042001E 的 1:1 巴倫無(wú)法完全匹配，但實(shí)際測(cè)試下來(lái)，系統(tǒng)回?fù)p依然在 10dB 以上——這種微小的感抗失配被巴倫內(nèi)部的匹配網(wǎng)絡(luò)消化掉了。如果換到 915MHz 頻段，建議在 PCB 走線上串聯(lián)一個(gè) 1.8pF 的 NPO 電容做微調(diào)，調(diào)下來(lái)的回?fù)p能從 9.5dB 提到 12.6dB。
設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵注意點(diǎn)
第一是散熱問(wèn)題。0900PC16J0042001E 本身不消耗功率，但挨著它放的 PA（比如 LR1110 內(nèi)部 PA 或外掛的 SKY66112）工作時(shí)的熱輻射會(huì)傳導(dǎo)到巴倫上。陶瓷基板對(duì)熱比較敏感，雖然器件支持 125°C 的存儲(chǔ)溫度，但持續(xù)在 105°C 以上工作，內(nèi)部電感的 Q 值會(huì)下降約 8%，插損跟著漲。我的做法是把巴倫放在 PA 的“冷邊”，中間隔一排地孔。第二是 ESD 防護(hù)。這顆料的耐壓沒(méi)在手冊(cè)里專(zhuān)門(mén)提，但作為射頻前端器件，通常只能扛 1kV 的人體模型。網(wǎng)關(guān)的天線接口如果直接暴露在外，最好在 0900PC16J0042001E 的單端端口前加一個(gè) T 型 ESD 二極管（比如安森美的 ESD9B5.0ST5G），不然雷雨天氣時(shí)端口被耦合靜電打壞的概率不低。第三是 SMD 焊接時(shí)的焊盤(pán)開(kāi)窗。如果你像大多數(shù)板廠那樣把陶瓷器件的焊盤(pán)直接按標(biāo)準(zhǔn)尺寸做，回流焊時(shí)由于焊錫張力不平衡，器件會(huì)自己旋轉(zhuǎn) 30-40 度——我碰到過(guò)兩次。解決辦法是把焊盤(pán)外延削掉 0.15mm，讓焊錫只在器件端子下方形成焊點(diǎn)。
什么情況下選它，什么情況下別選它
如果項(xiàng)目用 Semtech LR1110 且頻段是 868/915MHz，這顆 0900PC16J0042001E 幾乎是閉著眼選的——它同時(shí)省了一個(gè)巴倫和一個(gè)濾波器，BOM 成本和 PCB 面積都能省 25% 左右，而且匹配工作基本被簡(jiǎn)化到只調(diào)一兩個(gè)外圍電容。但如果你用的是 SX1262、SX1276 或者其他品牌的 Sub-1G 收發(fā)器，請(qǐng)務(wù)必別直接用。因?yàn)樗鼈兊牟罘侄丝谧杩共詈芏啵?SX1262 在 868MHz 時(shí)的差分阻抗典型值是 80+j25Ω，用這顆 1:1 巴倫會(huì)引入嚴(yán)重的失配。另外如果你的頻段落在 700-800MHz 或者 950MHz 以上，也完全不適合，它的通帶邊緣很陡，帶外抑制在 960MHz 以上就只有 12dB 了——碰上 NB-IoT 的 B8 頻段上行就會(huì)互相干擾。總結(jié)一下：針對(duì) LR1110 的雙頻段 LPWAN 網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)模塊、集中器射頻前端，這顆料非常合適；遇到其他芯片或頻段，老老實(shí)實(shí)去翻 datasheet 的阻抗曲線再說(shuō)。
