2.4GHz Anten-İletim Hattı Tasarım Ve Ölçümü

[AXI__]

Hayırlı sabahlar cümleten.
NRF24L01 + RFX2401C entegreleriyle bir pcb tasarımı yaptım. Ama menzil olarak verim alamadım malesef. Ki buna şaşırmadım çünkü rf konusunda malesef çok zayıfım. Ve daha öncede bu konuda baya bi başarısız çalışmam oldu : ).
Ama bu sefer başarıya ulaşmadan proje benden kurtulamayacak.
Şuan ki veriler;
- Devreme NRF modülü bağladığım zaman sorunsuz çalışıyor.
- NRF ve RFX in belemelerini (3.3V tu) oldukça stabil farklı kaynaklardan vererek testler yaptım - sonucu etkilemedi
- SMD seramik 3 farklı anten ile ve normal NRF modülünün harici anteniyle testler yaptım
- RFX çıkışındaki kondansatör bobin filtre katında bolca denemeler yaptım.
Vee sonuç olarak RFX in çıkışında eklediğim yoldan kaynaklı olabileceğini düşünerek pcbde kazıma yöntemiyle kompanenetleri rfx in hemen dibine çekerek testler yaptığımda çift seramik smd anteni seri bağlayarak mükemmel verimi sonunda yakaladım. Normalde NRF+RFX modülünün harici anteniyle aldığımdan daha iyi verim aldım bu şekilde. Sonra aynı yapıyı ikinci bir pcb de denemek istedim ama ne yaparsam yapayım ilk verim yakaladığım pcb deki verimi alamadım.
Şuan bu durumun RFX çıkışındaki iletim hattı + anten in rezonans konusundan kaynaklı olduğunu ve kullandığım kompanentlerin toleransları, pcbye elle müdehale etmem ve hatta lehimlerken kullandığım lehim miktarının dahil rezosansı etkileyeceğini düşünüyorum?
Bu durumda aklıma gelen tek mantıklı yöntem RF in yayılım gücünü ölçebileceğim bir ekipmanla (bu konuda da yardımınıza ihtiyacım var) üretimde ölçümler yapılıp max verim noktasına ulaşılana kadar bobin ve kondansatör değerlerinde kalibrasyon yapılarak üretimin yapılması. Bu konuda sizlerden yardım istiyorum. Çalıştığım şirketi bu konuda yanlış bir üretim sürecine gitmesine sebep olmak istemiyorum.
Ayrıca tasarım sürecinde olan biteni gözlemleyebilmek ve hem kompanenetler hemde tasarım konusunda analiz yapabilmem için ölçüm ekipmanları konusunda hobici seviyesinde ekipman tavsiyelerinizi de bekliyorum.
Emeğimizin değerini bilecek insanlarla karşılaşmanız dileğiyle..

[fahri-]

RF ölçü aletleri hobici fiyatlarını aşar. 3GHz spectrum analyzer olarak araştırın.
Bu entegrelerin hazır modüllerini inceleseniz referans dizayn olarak.

[AXI__]

[AXI__]

RF ölçü aletleri hobici fiyatlarını aşar. 3GHz spectrum analyzer olarak araştırın.
Bu entegrelerin hazır modüllerini inceleseniz referans dizayn olarak.

Yani firmaya bu konunun ciddiyetini ne kadar aktarabilir ve yatırım yapmasını sağlayabilirim bilmiyorum.
Ölçüm ekipmanlarına sahip olamadığımız hiç bir işte arge yapılamaz bence. Bu sebeple en azından giriş seviyesinde bir yatırım yapılmak zorunda.
En azından dar bir frekans aralığında (2.400 - 2.405) yayılan rf gücünü gözlemleyebileceğimiz bir ekipmana sahip olabilmemiz gerekiyor.
Ayrıca Seramik anten kullanan NRF modüller sipariş verdim hocam. Onunla farkı şartlarda ve antenlerlede gözlemler yapacağım. Ama sonuçlarını net gözlemleyemediğim sürece tümü bir tahmin yorum yürütmeden daha güvenilir olmayacak.

[mur@t]

merhaba,

sizin modül çıkışında kullandığınız filtre ve empedans uygunlaştırma işini doğru yapmanız gerekiyor. Sadece spectrum analizör ile bunu yapamazsınız. 2 anten bağladığınızda daha düzgün çalışmasından da, empedans ile ilgili ciddi bir sorun olduğunu düşünüyorum.

Bu modüllerle hiç çalışmadım ama linkteki gibi, filtre+empedans uygunlaştırıcı komponentler kullanılabilir belki.

https://www.mouser.com.tr/datasheet/2/611/2450FM07B0037-1569900.pdf

iyi çalışmalar.

[ferdem]

Anten uyumlama konusunda yolları kısa tutmak, datasheet te verilen önerilere uymak yeterli olması lazım.
NRF'nin datasheet uygulama sayfasında(Appendix D - Application example) örneğin: 
3,9nH L3 0402 chip inductor +/- 5%
1.5pF C5 0402 NPO, +/- 0.1pF
şeklinde belirtilmiş. Bu özelliklerde komponent seçip, önerilen "layout" a göre koyduğunuzda tamamdır.
Frekans konusunda NRF2401 datasheet inde kristal için ±60ppm 16MHz crystal belirtilmiş, +-60ppm veya daha hassas bir kristal kullandıktan sonra frekans konusunda sorun olmaması lazım.

Hobici seviyesinde ekipman: HackRFone veya benzeri bir SDR ile havaya yayılan sinyali gözleyebilirsiniz.

Bir de 2.4 GHz bandı yoğun bir bant, sağlıklı bir test yapmak, sonuçları yorumlamak, ekipmansız sorunları tespit etmek zor olur. Sinyal zayıf diyoruz ama belki de sorunun kaynağı başka bir yayıncı ile sürekli çakışma olması, NRF nin Enhanced ShockBurst özelliği var, bir de onunla denemek lazım.
Kolay gelsin.

[fahri-]

@mur@t
Filtre ve empedansın uygunluğunu spectrum analayzer olmadan nasıl bileceksin. Avometre ile mi?
RF ölçümlemenin 2 ana ölçü aleti birisi Spectrum analayzer diğeri de network analyzer dır. Diğer RF wattmetreleri falan saymıyorum.

[mur@t]

@mur@t
Filtre ve empedansın uygunluğunu spectrum analayzer olmadan nasıl bileceksin. Avometre ile mi?
RF ölçümlemenin 2 ana ölçü aleti birisi Spectrum analayzer diğeri de network analyzer dır. Diğer RF wattmetreleri falan saymıyorum.

Sadece Spektrum analizör yeterli olmaz demişim.
Bir sinyal veya traking jeneratör olmadan, sadece spektrum analizör ile filtre ve empedans nasıl ölçülebiliyor ayrıca merak ettim.
Bununla ilgili bir döküman veya not paylaşırsanız ben de öğrenmek isterim, elimde spektrum analizör mevcut.

[fahri-]

Arkadaşın frekansı belli. Alıcı olarak spectrumu analyzerı kullanacak. RF sinyali max yapmak için ayarlarıyla uğraşacak. Alış seviyesini max yaptığı yerde match yapılmış olur.
Traking generatör sinyalini verici modülün neresine girebilirki?

[ziyaretci]

Bence en azından giriş seviyesinde bir RF tasarımı yapmalısınız. Hesabıyla kitabıyla(bir yere kadar), düşük frekanslı. Ancak o zaman eksiklerinizi görebilir ve hazır IC'nin ihtiyaçlarını anlayabilirsiniz diye düşünüyorum.

Benim de merak duyduğum bir alan RF ama daha gömülemedim. Okuldaki hocamız bize şöyle bir şey söylemişti, merakım iki kat artmıştı bu cümlesinden sonra; "Her şeyi hesaplıyorsunuz, anten boyu hesapta ne çıkıyorsa onun milimetrik fazlasını hassas ölçü aleti ile ölçüp kesiyorsunuz, daha sonra analiz cihazlarından çıkış gücünü izleyerek, güç maksimum seviyeye çıkıncaya kadar anteni törpüleme yöntemi ile kısaltıyoruz." demişti.

Yani önce bu işi denklem boyutunda anlamak gerekiyor. Sonra da belirtildiği gibi ölçüm cihazları için yatırım gerekiyor.

[satilla]

Anten verimliliğini ve iletim hattının empedansını VNA ile ölçümlemeniz daha doğru olacaktır.
Öncelikle anten iletim hattının empedansını 50 ohm'a ulaştırmak için smith chart üzerinden gözlemlemelisiniz, VSWR değeri de yaklaşık bir izlenim verecektir ancak VSWR grafiğinden hattın kapasitif mi endüktif tarafta mı olduğunu gözlemleyemezsiniz.
Empedans uyumlaştırmadan sonra VSWR grafiğinde iletim frekansındaki 1'e en yakın bölgeyi baz alıp anten frekansını grafikteki pik noktası olacak şekilde anteninizi ayarlamalısınız.

Anteninizi aynı zamanda simülasyon programlarıyla simüle ederseniz yayılım bölgelerini ve iletim güçlerini görebilirsiniz.

Aliexpress'te 50 usdlik VNA cihazlar satılmakta, uygun BW çözünürlüğüne sahip olanı seçip temel işleri yapabilirsiniz.

[kralsam]

Başarı kriteri olarak gözleminiz nedir? Neye göre çalışıp çalışmadığını gözlemliyorsunuz. Daha önce yapmayı denemedim ama genel olarak @ferdem hocanında dediği gibi datasheet referans çıkış devreleri seçilip uygun referans layout çalışması gerekir. Eğer anteni bir yere taşımak zorunda kalacaksanız frondend de buna dahil rf yolları hesaplayıp kullanacağınız pcb malzemesine göre 50 ohm olacak şekilde ayarlanması gerekecektir. Ek olarak anten empedansı eğer farklıysa ki örnek HF antenlerinki kohm seviyelerinde olabiliyor ona göre anten dibinde empedans uygunlaştırma yapmak gerekebilir hat üzerinde. Aslında en net olanı anten analizor.örnek: https://youtu.be/mKi6s3WvBAM
 (Bu tip çalışmaları doğrudan yapmadım. Ama amatör telsiz uğraşlarımdan gözlemlerimdir.)

[Sozuak]

Anten uzatilacaksa uygun yere mmcx gibi minyatür rf konnektörü konup hazır uygun kablo ve konnektör  takılı bir antenle uzatılırsa pek sorun olmaz. Bir çok cihaz ve telefonda benzer çözümler kullanılıyordu eskiden (eskiden mobil telefonları araç antenine bağlayan aparatların kullanımındaki gibi ya da bazı wifi aktarıcılardaki/adaptörlerdeki gibi)
RF ile uğraştığım zamanlarda menzili kontrol edip çekilen akımı ölçerek iş yapmak zorunda kalmışlığım olmuştur bir de çıkış katı ısısını kontrol ederdim.
Elbette işi kitabına uygun yapmak önemli ama attığınız taşın ürküttüğünüz kurbağaya değmeyeceği işlerde de işi çetrefilli hale getirip çözümsüz bırakmamak gerekir. İlle de 5000 usd lik nva, bir SA olacak diye kural yok. RF işi de Ses kabini tasarımı gibi denemelerle çözümlenebilir bir iştir. Yüksek güçler ve pahalı çıkış katları ile uğraşmıyorsanız ucuz ve pratik yöntemlerle halletmek zor olmuyor.

[kralsam]

Biraz inceleme fırsatım oldu. Aşağıdakiler dikkatimi çekti.

- R4 direnci VDD_PA hattına bağlanmış. Bu biraz riskli geldi. nRFXX çıkış katının yükselteç beslemesini sağlıyor ve bu bağlantı gürültülenmesine yada frekans kaymasına sebep olabilir.
- L1, L2 ve L3 kritik. Bunlar öneride bulunulan şekildedir diye tahmin ediyorum.
- C8 ve C9 yine referans değerlerle aynı almalı. Ek olarak yerleşimi öneride olduğu gibi loop içermeden doğrusal yapman faydalı olabilir.
- Yukarıdaki bahsi geçen direnç ve bobinler nRF çıkısını 50R empedans uygunlaştırmak için. Bu kısmın yanından çok yakın geçen VDD besleme hattını da tavsiyem ya uzaklaştır yada diğer arka taraftan taşı.
- RFX çıkışı datasheet de 50R yazıyor ondan sonrasında da hattın 50R a uygun çizimi önemli ve antenin datasheet içinde belirtilen karakteristik empedansı uygun değilse anten öncesine ilave bir empedans uyumlama devresi eklemen gerekir. (Bunlarda SWR'nin 1 de tutulup maksimum güç transferi için)

Uygulamadım ama ufak bir tavsiye olarak yazmak istedim. Sonucu da paylaşırsan sevinirim.
İyi çalışmalar.

[kralsam]

Selam,
Ne yaptın hocam gelişme oldu mu ?