LORA类产品PCB板载天线的研发测试方案

一、物联网行业中存在问题

LORA模组相关的产品项目研发过程中，需要对设计的pcb天线进行辐射功率测试，保证LORA模组在相应场景下满足基本通信需求。

二、该问题带来的危害及影响

天线在物联网项目中占据重要地位，有些物联网项目由于产品外壳尺寸限制，以及防水要求，需要选择使用内置的PCB天线，PCB天线设计完成后，如果不做天线测试，就无法保证天线性能，无法实现设备的远距离通信（保证在无遮挡情况下，通信LORA终端（PCB天线）与网关（棒状天线）的通信距离达到500m以上）

三、解决方法

方法一

1、原理介绍

搭建测试环境，通过频谱仪测试LORA模块的PCB天线的辐射功率值，如果辐射功率值达不到要求（小于-15dbm），需要用网络分析仪测试史密斯原图，调整射频π型电路的器件参数。调整射频阻抗接近50Ω（天线射频接口保留初始π型电路，只串联1个0欧电阻）

2、方案详情

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2.1按上图所示，频谱仪接433M天线，带PCB天线的LORA终端接电池，设定频谱仪参数，选择433MHz频率，125K带宽，选择最高点，用50Ω同轴线接入频谱仪输入端

2.2点击PeaK, 光标处在最高点

2.3点击“View/Trace”进入选项界面：点击“Max Hold”最大保持

2.2读取频率下面的发射功率值为“-32.99dBm

2.3仿真匹配天线到最优

天线匹配到50ohm附近，一种是先串联电感，再并联电容；另一种是先串联电容，再并联电感。电容和电感的值我们可以用一些工具计算得到。比如说这款Smith 工具：https://www.will-kelsey.com/smith_chart/

我们可以用这个Smith chart的工具很容易就计算出来先要串接48.69nH的电感，然后再并接20.9264pF的电容，最后的阻抗可以基本上为50Ohm。

从下图中我们可以看出，DP1是我们用网分测出的在433MHz的原始阻抗5.48-117.j ohm,串上电容后，沿着电阻圆移动到DP2,并连电容后，沿着电导圆向下移动到DP3点，基本上就是50ohm附近。

需要注意的事，我们现在得到的串并联电容和电感的值，都是一个理论值。由于走线上的寄生电容和寄生电感的存在，电容和电感本身也不是一个纯的电容和电感，所以我们要把我们仿真的值焊在实际的电路板上，用网络分析仪去测试。然后根据实际测试的结果，去微调匹配电路的值，使得最终的测试结果接近最优结果，从而天线的性能得到优化。

2.3LORA终端接入网络分析仪，测试史密斯圆图

2.4网络分析仪设置与校准

2.5

点击“1”“Center”设置中心频率：如“433.92MHz”

点击“2”“Span”设置频率的带宽：如“100MHz”

点击“3”“Start”设置频率的起始频率：如“383.92MHz”

点击“4”“Stop”设置频率的终止频率：如 “483.92MHz”

点击“5”“Marker”设置频率的测试点，界面如下图所示：

测试点数可以自行设置，点频的一般设置测试的频率即可；

点击“6”“Format”设置测试频点的驻波比或史密斯圆图：如下图所示

选择“S11”单端校准窗口，点击后进入：如下图所示

校准完后就可以正常的测史密斯圆图。实际测试对应的π型电路，如下图所示：

2.6 在LORA终端的π型电路上，焊接对应的电感与电容

2.7重复2.1与2.2两个步骤测试，LORA终端发射功率，如下图所示,发射功率为-10.45dBm,与匹配前相比发射功率提高了20个dbm

2.8按下图搭建实验环境，在实验室条件下测试LORA网关接收LORA终端的温度信息。再通过连接网关的测试电脑串口观察信息接收情况。

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2.9如果串口助手（波特率9600或115200根据程序固件确定）上的测试电脑收到LORA测温终端信息，表示通信正常

2.10将测温终端放置在距离LORA网关1公里左右的室外，测试测温终端与网关的远距离通信功能，将测温终端的PCB天线一侧面向LORA网关方向，连续给测温终端上电5次，观察连接LORA网关测试电脑串口是否接收到测温终端发送的信息。

3、需要的测试设备或测试环境

  3.1、测试电脑

  3.2、串口调试助手

  3.3、棒状LORA天线

  3.4、聚合物电池

  3.5、LORA网关与LORA测温终端，带温度传感器

  3.6、频谱仪E4402B

  3.7、网络分析仪8783E

  3.8、Smith V4.1工具

  3.9 433M天线

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