飞行器设计之5.8Ghz图传
简介
此工程主要是进行飞行器的5.8Ghz图传设计，实现飞行器上摄像头视频信号的发射。主要包括原理图设计、PCB设计和电路仿真。原理图和PCB设计最多占此工程工作量的30%，电路仿真是非常耗时且繁琐过程。
简介：此工程主要是进行飞行器的5.8Ghz图传设计，实现飞行器上摄像头视频信号的发射。主要包括原理图设计、PCB设计和电路仿真。原理图和PCB设计最多占此工程工作量的30%，电路仿真是非常耗时且繁琐过程。开源协议
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工程基本介绍
此工程主要是进行飞行器的5.8Ghz图传设计，实现飞行器上摄像头视频信号的发射。
此工程主要包括原理图设计、PCB设计和电路仿真。原理图和PCB设计最多占此工程工作量的30%，电路仿真是非常耗时且繁琐过程。
为什么要进行电路仿真呢？
5.8Ghz为高频电路，为了使飞行器上摄像头视频信号有效的发射出去。必须进行阻抗匹配。而做阻抗匹配，此工程提供了一个可行的方法，做仿真。
做仿真首先要完成原理图设计、做阻抗匹配电容和电感元器件的选型、叠层结构确认，PCB的初步设计，然后对初步的PCB设计进行电路仿真。
叠层结构决定了仿真时设置的叠层结构，这点很重要！！！
此电路板为4层，叠层结构为7628！！！！！！（叠层结构改变会影响阻抗）
根据我做此工程的经验，给出如下设计过程，这个过程很理想。假设你要换做阻抗匹配所需的元器件，电容和电感，一切就又重新开始了……。
（所以高频电路的仿真就很耗时且繁琐）
此工程给出了详细的仿真步骤，见 具体设计部分。
基本电路即接口如下图所示，主要包括电源电路，射频+PA电路。电源接口支持3S、4S电池。VIDEO为视频输入接口；PDET为PA输出功率检测接口。
可以短接如图所示的部分进行选频，选择所要使用的信号发射频率。
通过短接可以选择的信号发射频率如下图所示。
同样预留了可以进行SPI编程的接口，进行选频。
通过SPI编程，可以选择的信号发射频率如下图所示。
RFPA5542这颗PA芯片有3级放大电路，可以短接下图所示的部分，选择使用1级、2级或3级放大电路。
此电路板为4层，叠层结构为7628！！！！！！（叠层结构改变会影响阻抗）
此叠层结构也决定了仿真时设置的叠层结构。
两条传输线的仿真结果：
S参数
VSWR
顶层的电磁场
实物测试：
5.8G图传 装机图
电路板正面
电路板反面
整体图
功能验证 图片：
功率检测 图片：
使用射频功率计，外接30db信号衰减器。
使用两阶放大，外接30db的衰减器，信号的发功率为:
-13+30=17dbm=50mW
-10+30=20dbm=100mw
使用两阶放大，信号的发射功率为50~100mw之间。
使用三阶放大，外接30db的衰减器，信号的发功率为:
-2+30=28dbm=640mW
-3dbm+30=27dbm=500mW
使用两阶放大，信号的发射功率为500~640mw之间。
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插播一条，以前立创大赛做的电调和飞控，就是此四旋翼上的。
电调：https://diy.szlcsc.com/p/CLZ1/ji-yublheli-diesc
飞控：https://diy.szlcsc.com/p/CLZ1/f405-fei-kong
具体设计部分
飞行器设计之5.8Ghz图传 目录
4.5 PCB1_1比PCB1和PCB1_2的仿真结果好，为啥没用PCB1_1呢？ 49
1. 5.8Ghz图传
飞行器的图传包括发送和接收两个部分，此工程做的是图传发射部分；主要功能是将飞行器上的摄像头的视频信号发射出去。
目前主流的5.8Ghz图传所用的芯片基本都为RTC6705，网上也能找到RTC6705的原理图，但是对一个刚接触到高频信号的人来说，就算有原理图也很难做出一个功能正常的图传，因此使很多人望而却步。
我将以自己的理解来说明其中的原理，如果有不对的地方，还望各位能指出来，共同进步。
2. 原理：放大器工作状态、偏执网络和阻抗匹配
原理部分，参考《射频电路设计——理论与应用》第8.3节放大器的工作状态和偏执网络，给大家解释。我会把这本书同样上传附件。
主要看8.3.2 双极晶体管的偏执网络。参考其中的下图来解释。
下图为RTC6705数据手册上逻辑图。
书中的RFout即是RTC6705的PAOUT1和PAOUT2。对比两张图可知，我们需要在PAOUT1外部选取合适的RFC（射频扼流圈）、CB和R4。
主要介绍RFC（射频扼流圈）：RFC就是一个电感，我们都知道，电感通直流，阻交流。在这个电路中，电感的这个功能体现的淋漓尽致。从VCC（直流电压）通过R4和RFC后，给晶体管提供合适的电压和电流。从RFout出来的高频信号（交流），RFC对其来说相当于断路。
电感的高频模型如下图所示，在某一频率处，电感会自谐振，其自谐振频率为称为SRF。
在扼流圈的应用中，SRF能够最有效地阻断信号的频率。在低于SRF的频率下，阻抗随频率增大而增大。在SRF下，阻抗达到最大值。在高于SRF的频率下，阻抗随频率减小而减小。如下图所示。
因此在理想状态下应选取一个自谐振频率略大于信号最高频率的电感，在此理想状态下可以选用自谐振频率为6Ghz的电感。
CB隔直电容，通交流，阻支流，将射频扼流圈没有阻断的交流信号直接接地。CB 20pF，R4 10ohm。（CB与R4所选的大小不是重点，重要的是射频扼流圈的选择，并且使传输线的阻抗为50ohm）
也可以10pf, 0ohm理解其在电路中的作用，才是最重要的。
阻抗匹配最重要的是知道——信号源的输出阻抗。
下图为RTC6705，数据手册上的原话。在滤波之前，在PA输出端都有适当的匹配。输出阻抗，应该就是50ohm。
RFPA5542这颗PA的输入、输出阻抗均为50ohm。
所以我们需要使传输线的阻抗为50ohm，即下图所示的两条传输线。
这就需要使用HFSS 3D Layout进行仿真。
3. 原理图与PCB设计
看 设计图 部分。
注意事项：
传输线宽度应保持不变，使焊盘宽度和传输线宽度保持一致。这样容易做阻抗匹配。
此工程传输线的宽度为0.3mm。
阻抗约为56ohm。
4. PCB仿真：HFSS 3D Layout
首先，用HFSS 3D Layout仿真，需要ODB++格式的文件或其他格式的文件（我用的ODB++格式的文件），立创EDA并不能直接导出，所以只能先用立创EDA导出Altium Designer格式的文件，然后用Altium Designer导出ODB++格式的文件。
给出PCB1的详细仿真步骤，以及PCB1_1和PCB1_2的仿真结果。
4.1 PCB1仿真步骤
1.将立创EDA里的PCB文件导出成Altium Designer格式的文件
2.将导出的文件解压，并用Altium Designer打开；
3.导入之后发现覆铜没得了，中间两层铜层也没得了；将中间两层铜层加上，重新覆铜，并定义版型，处理完之后如下图所示。
4.导出ODB++格式的文件，操作如下；
5.只需要导出顶层、底层以及中间两层和机械层1；下面只剩保存操作，不再展示。
6.打开Ansys Electronics Desktop，导入ODB++格式的文件；
7.导入生成ODB++格式文件时，产生的PCB1.tgz文件，并点击OK。
8.接着点击OK。
9.导入之后如图下图所示。点击Save，保存。
10.点击此处设置显示格式；
11.根据自己喜好设置，我喜欢设置成Display Solid；
12.设置完成之后，效果如下图所示；
13.点击此处，设置叠层结构；
14.设置成嘉立创的叠层结构，嘉立创的叠层结构如下；
15.将thickness设置成嘉立创叠层的厚度，并将各层设置成显示（就是前边那一列，打上对勾）；
16.设置完成之后，点击Apply and Close；效果如下图所示；
17.依次点击HFSS Extents、Edit，如图所示；
18.将Horizontal和Positive设置成30mm；点击 确定
19.依次点击HFSS Extents、Show，如图所示；
20.将页面适当缩小，调整适当位置，如图所示；方块，这就是刚才设置的两个30mm；使用HFSS 3D Layout仿真，要在有限的空间内进行，而设置的这个有限空间就如下图方块所示。
21.依次点击HFSS Extents、Hide，如图所示；将设置的有限空间隐藏（只是看不见了，仍然存在，不隐藏也行，个人喜欢隐藏）
22.依次点击Orient、Fit All；点击之后效果如图所示，就是把电路板方正，好操作。
23.依次点击View、Components；
24.电路板上的元器件和芯片会在右侧显示；
25.依次点击IC、RTC；在RTC上右键，Create Ports On Component;
26.在弹出的页面选择，$1N154240；
27.点击EM Design;
28.将HFSS Type设置成Gap;从下图可以看出，默认Port为50ohm；
29.重复25-28，将$1N59286、$1N154747、$1N103981也设置成Port，位置如下；
30.下图为设置完成的侧面截图；
31.选中6.8nH电感，点击Model Info;
32.选中Library;
33.点击Library Browser;
34.在弹出的页面找到，选择的电感型号（LQW15AN6N8G00D），其自谐振频率为11Ghz左右，立创商城下面给出的自谐振频率6Ghz是数据手册上的Self Resonant Frequency (GHz min.) 点击Apply，点击OK；
(我当时以为立创商城下面给出的自谐振频率6Ghz，就是其自谐振频率，实际是Self Resonant Frequency (GHz min.)；当时筛选元器件的时候直接搜的6Ghz，选的就是它，仿真的时候没注意，后来才发现自谐振频率为11Gh左右，但是仿真结果也还可以，所以就继续用了。PCB1_1仿真的是选的自谐振频率为6Ghz的，但是那个元件没现货)；
35.同样将这两个10pF的电容也设置成所选的型号；点击Apply，点击OK；
36.依次点击，如图所示；
37.在弹出的页面将频率设置成5.8G，点击确认；
38.设置扫频频率5.3-6.3Ghz，点击确认；
39.依次点击HFSS 3D Layout、Validation Check；
40.显示没有错误，仿真设置就基本没什么问题；
41.依次点击Setup1、右键、点击Analyze，开始仿真；
42.在下面的状态栏Progress处，可以看到仿真进度；等待仿真完成即可；
43.当显示扫频完成时，仿真结束，可以查看结果了；
44.仿真的是这两条传输线的损耗、阻抗和驻波比；
4.2 PCB1仿真结果
45.在Results处右键，操作步骤如下；
45.在弹出的页面选择
dB(S(RF1.1.$1N103981,U1.13.$1N154747));
dB(S(U1.13.$1N154747,U1.13.$1N154747));
dB(S(U1.3.$1N59286,U3.35.$1N154240));
dB(S(U3.35.$1N154240,U3.35.$1N154240));并点击New Report;
46.仿真结果如下图所示；
从图中可以看出,在5.7-5.9Ghz,S11两条线，均小于-25dB；在5.7-5.9Ghz，S21基本为0。（S21两条线重合了）
47.在Results处右键，操作步骤如下；
48.在弹出的页面选择
S(U1.13.$1N154747,U1.13.$1N154747); S(U3.35.$1N154240,U3.35.$1N154240)；并点击New Report;
49.仿真结果如下图所示；
从图中可以看出,在5.8Ghz,两条传输线的阻抗，实部均在45ohm以上，55ohm以下。
50.在Results处右键，操作步骤如下；
51.在弹出的页面选择VSWR;
VSWR(U1.13.$1N154747); VSWR(U3.35.$1N154240);并点击New Report;
52.仿真结果如下图所示；
从图中可以看出,在5.7-5.9Ghz,，两条传输线的驻波比均小于1.11。
4.3 PCB1_1仿真结果
1.仿真的是这两条传输线的损耗、阻抗和驻波比；
2.6.8nH电感选择为LQG15WZ6N8J02(立创商城目前没有现货，所以才选用了LQW15AN6N8G00D，即PCB1中的6.8nH电感)，自谐振频率为6Ghz左右。其余传输线上的电感、电容为理想的电感、电容。
3.仿真结果如下图所示；
从图中可以看出,在5.7-5.9Ghz,S11两条线，均小于-36dB；在5.7-5.9Ghz，S21基本为0。（S21两条线重合了）
4.仿真结果如下图所示；
从图中可以看出,在5.8Ghz,两条传输线的阻抗，实部均在50ohm左右。
5.仿真结果如下图所示；
从图中可以看出,在5.7-5.9Ghz,，两条传输线的驻波比均小于1.04。
4.4 PCB1_2仿真结果
Animate_log图
4.5 PCB1_1比PCB1和PCB1_2的仿真结果好，为啥没用PCB1_1呢？
因为：
A.6.8nH电感（LQG15WZ6N8J02）没货，有货了，可以再做；
B.PCB1_1的仿真，其两条传输线上的电感、电容均为理想元件，并没有像PCB1和PCB1_2一样用特定的元件库里的元件，仿真结果和实际肯定有偏差，不知道会比实际好还是坏，万一比实际的差，这不直接G了；
C.选元件，跑仿真是一个很繁琐的过程，目前仿真的文件，无论好的坏的，有几十G的文件了，仿真 真的能跑一天一夜。
D.给喜欢、感兴趣的朋友，提供一个思路，可以自己试试看。
5.实物测试
5.8G图传 装机图
电路板正面
电路板反面
整体图
功能验证 图片：
功率检测 图片：
使用射频功率计，外接30db信号衰减器。
使用两阶放大，外接30db的衰减器，信号的发功率为:
-13+30=17dbm=50mW
-10+30=20dbm=100mw
使用两阶放大，信号的发射功率为50~100mw之间。
使用三阶放大，外接30db的衰减器，信号的发功率为:
-2+30=28dbm=640mW
-3dbm+30=27dbm=500mW
使用两阶放大，信号的发射功率为500~640mw之间。
B站集合（只能电脑端打开）：
功能验证 视频链接：
功率检测 视频链接：
插播一条，以前立创大赛做的电调和飞控，就是此四旋翼上的。
电调：https://diy.szlcsc.com/p/CLZ1/ji-yublheli-diesc
飞控：https://diy.szlcsc.com/p/CLZ1/f405-fei-kong
6.备注
1. 《射频电路设计——理论与应用》 这本书太大了116M，没办法上传，最大上传50M。只上传了8.3节 放大器的工作状态和偏执网络。
2. HFSS 3D LAYOUT 仿真原文件 600多M，压缩后 还有 400多M，所以也没办法直接上传，给出网盘链接。
链接：https://pan.baidu.com/s/1fEJYfRwdB43qmpmRgGhqow
提取码：30hl
3. 个人联系方式 QQ：2995001663 QQ群：595223820
这个平台最大上传50M的文件，太大的文件，没法上传，原文件会上传至QQ群
大家有问题，欢迎来交流
4. 希望大家多多支持，点赞、评论+收藏。
设计图
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