Проект: узел LoRa 868 МГц

Это итоговый проект модуля. Ты сделаешь плату узла LoRa на 868 МГц: микроконтроллер, радиомодуль, линию 50 Ом, согласующую П-цепь и разъём SMA для антенны. Такой узел — датчик, который раз в несколько минут отправляет пару байт на шлюз за километры. Проект собирает всё, что было в модуле: линии (12.2), материалы (12.3), неоднородности (12.4), согласование (12.5), антенны (12.7) и топологию (12.8). Проверять готовую плату будешь в уроке 12.10.

Процесс тот же, что в проектах модуля 11: ТЗ → схема → библиотека → топология → выпуск. Ниже — то, что отличает ВЧ-плату от обычной.

Шаг 1. ТЗ и выбор радиочасти

ТЗ: узел LoRa для европейского диапазона 863–870 МГц, питание 3,3 В, микроконтроллер по выбору, внешняя антенна на SMA, плата не больше 50 × 30 мм.

Главное решение — делать ли радиочасть самому. Аналогия: можно купить готовый двигатель и поставить его на свою раму, а можно собрать двигатель из деталей. Второй путь даёт контроль и экономит деньги на большой серии, но требует станков и опыта. В радио «станок» — это векторный анализатор, спектроанализатор и испытания на излучение.

Вариант	Что внутри	Что делаешь ты	Для кого
Ebyte E22-900M22S	SX1262, ВЧ-ключ, согласующие цепи, опорный генератор; 20 × 14 мм, полуотверстия по краям	питание, SPI, линия 50 Ом от вывода ANT до разъёма	этот проект
Seeed Wio-SX1262	SX1262, TCXO (питается от DIO3), ВЧ-ключ (управляется DIO2); 11,6 × 11 мм	то же; вывод ANT есть только у варианта Wio-SX1262-N, по умолчанию — разъём IPEX	компактные узлы
SX1262 на плате (chip-down)	только чип	TCXO или кварц, ВЧ-ключ, согласование и фильтр гармоник усилителя, катушка встроенного DC-DC, вся топология по референс-дизайну Semtech	серия, опыт, приборы

📖Из учебникаХоровиц, Хилл, гл. 5, §5.19, с. 317–320

Хоровиц и Хилл объясняют, что частота кварцевого генератора уходит с температурой, а схема температурной компенсации даёт термокомпенсированный генератор (ТККГ, по-английски TCXO). Такие генераторы выпускают готовыми модулями. Для LoRa это не абстракция: на 868 МГц уход опорной частоты на 1 ppm — это 868 Гц. Обычный кварц с допуском 20 ppm даёт около 17 кГц ошибки, заметную долю канала 125 кГц, а при узких полосах и больших коэффициентах расширения приём на холоде может сорваться. Поэтому в модулях Wio-SX1262 и во многих референс-дизайнах SX1262 стоит TCXO, а трансивер сам подаёт ему питание с вывода DIO3.

Берём E22-900M22S: модуль уже прошёл настройку у производителя, и на плате остаётся одна ВЧ-линия. По даташиту модуль работает в диапазоне 850–930 МГц и отдаёт до +22 дБм (около 160 мВт).

⚠️Внимание

Питание модуля — 1,8–3,7 В, рекомендуется 3,3 В. Абсолютный максимум — 3,7 В, логика тоже 3,3 В. Пятивольтовый микроконтроллер (например, ATmega328P на 5 В из проекта 11) напрямую подключать нельзя: либо питать МК от 3,3 В (на пониженной частоте, по даташиту), либо ставить преобразователи уровней. Пять вольт на любом выводе модуля его убьют.

Шаг 2. Схема

Рис. 12.9а. Структурная схема узла. Модуль E22-900M22S (внутри SX1262) говорит с микроконтроллером по SPI (NSS, SCK, MOSI, MISO) и сигналам BUSY, DIO1 (прерывание), NRST. RXEN включает приёмный тракт внутреннего ВЧ-ключа, TXEN — передающий; TXEN часто соединяют с DIO2 модуля. С вывода ANT линия 50 Ом идёт через П-цепь (по умолчанию 0 Ом и два непаяных места) на разъём SMA. Питание 3,3 В — с керамическими конденсаторами у вывода VCC.

Выводы E22-900M22S по даташиту Ebyte:

Вывод	Имя	Куда подключать
1–5, 10–12, 20, 22	GND	земля, каждый вывод на полигон
6	RXEN	GPIO МК: высокий уровень включает приём
7	TXEN	к DIO2 (вывод 8) или к GPIO МК [ПРОВЕРИТЬ]
8	DIO2	к TXEN, если ключом управляет трансивер
9	VCC	+3,3 В, конденсаторы вплотную
13	DIO1	GPIO МК с прерыванием (готовность пакета)
14	BUSY	GPIO МК: занят ли трансивер
15	NRST	GPIO МК, сброс (активный низкий)
16–19	MISO, MOSI, SCK, NSS	аппаратный SPI МК
21	ANT	ВЧ-выход 50 Ом → П-цепь → SMA

TXEN и RXEN управляют встроенным ВЧ-ключом: антенна подключается либо к передатчику, либо к приёмнику. В даташите Ebyte описание TXEN и DIO2 местами противоречит само себе. Распространённая практика — соединить DIO2 с TXEN и включить в прошивке SetDio2AsRfSwitchCtrl, а RXEN вести на GPIO. Проверь это по актуальной ревизии даташита и по примерам библиотеки, с которой будешь работать (например, RadioLib).

Питание. Стабилизатор 3,3 В с запасом по току: в режиме передачи на максимальной мощности модуль берёт больше сотни миллиампер (точное число — в даташите модуля). У вывода VCC — 100 нФ и 10 мкФ, ближе к выводу — меньший. Если на плате есть DC-DC, питание модуля фильтруй ферритовой бусиной или отдельным LDO (урок 12.8).

П-цепь у разъёма. Три элемента 0402: последовательный — резистор 0 Ом, два параллельных на землю — не устанавливаются (DNP). Если плата и антенна согласованы, цепь «прозрачна». Если нет — номиналы подбирают по измерению (уроки 12.5 и 12.10). На схеме обозначь параллельные элементы как DNP, чтобы монтажник их не поставил.

Разъём. Торцевой SMA на край платы — для стенда и внешней антенны. Если антенна будет в корпусе — U.FL и пигтейл. Посадочное место — строго из даташита выбранного разъёма.

Шаг 3. Стек и ширина линии

Вариант A — двухслойная плата 1,6 мм. Земля — весь нижний слой. Микрополосок 50 Ом получится около 3 мм:

Микрополосковая линия

Ширину по Z0Z0 по ширине

εr Толщина диэлектрика h, ммдо ближайшего слоя землиНужное Z0, Ом Ширина W, мм Частота, МГц

Ширина W

—

εэфф

—

λ в линии (λг)

—

Четверть волны λг/4

—

Задержка

—

W/h

—

Формулы Хаммерстада–Йенсена (1980), точность около 1 %. Не учтены толщина меди (снижает Z0 на 1–3 %), паяльная маска (снижает Z0 ещё на 1–2 Ом) и рост εr с частотой. У FR-4 εr плавает от партии к партии (обычно 4,0–4,7): для серийной платы заказывай контроль импеданса у производителя и бери его расчёт.

Это шире вывода ANT модуля, а скачок ширины — неоднородность. Поэтому делаем CPWG: W ≈ 1,3 мм при зазоре S = 0,2 мм (εr = 4,3; оценка из урока 12.7).

Вариант B — четырёхслойная плата со стеком «сигнал — земля — питание — сигнал». Если до слоя L2 около 0,2 мм препрега, микрополосок 50 Ом получается около 0,4 мм:

Микрополосковая линия

Ширину по Z0Z0 по ширине

εr Толщина диэлектрика h, ммдо ближайшего слоя землиНужное Z0, Ом Ширина W, мм Частота, МГц

Ширина W

—

εэфф

—

λ в линии (λг)

—

Четверть волны λг/4

—

Задержка

—

W/h

—

Формулы Хаммерстада–Йенсена (1980), точность около 1 %. Не учтены толщина меди (снижает Z0 на 1–3 %), паяльная маска (снижает Z0 ещё на 1–2 Ом) и рост εr с частотой. У FR-4 εr плавает от партии к партии (обычно 4,0–4,7): для серийной платы заказывай контроль импеданса у производителя и бери его расчёт.

Линия узкая, сравнима с выводом модуля, и стык почти не даёт неоднородности. Четыре слоя дороже, но ВЧ-часть получается проще и предсказуемее. Для обоих вариантов окончательные W и S бери из калькулятора импеданса фабрики под её стек. В Altium их задают как профиль импеданса в Layer Stack Manager (урок 9.2).

На 868 МГц λг в линии около 19 см (урок 12.1), а вся линия от модуля до разъёма — 10–15 мм. Это меньше λг/10, поэтому небольшая ошибка в ширине не будет критичной. Но правильная ширина ничего не стоит, а на 2,4 ГГц та же ошибка уже заметна.

Шаг 4. Топология

Рис. 12.9б. Эскиз верхнего слоя ВЧ-части. Модуль стоит у края платы, вывод ANT (21) смотрит на разъём. Линия 50 Ом — короткая и прямая, CPWG с рядами переходных отверстий с шагом около 3–5 мм. Площадки П-цепи стоят на линии без разрыва зазоров. Торцевой SMA — на краю, его земляные лапки прошиты отверстиями. Под модулем — сплошная земля без дорожек; второй слой — тоже сплошная земля. Размеры условные.

Порядок работы:

1. Сначала ВЧ. Поставь разъём SMA на край платы и модуль рядом так, чтобы вывод ANT смотрел на разъём. Линия должна быть короткой и прямой, без переходов на другой слой.
2. Стек и правила. Задай профиль импеданса 50 Ом в Design›Layer Stack Manager. Создай класс цепей RF в Design›Classes и правило зазора для него в Design›Rules: зазор S от линии до полигона земли.
3. Линия. Разведи цепь ANT шириной W из профиля. П-цепь — прямо на линии, площадки не шире самой линии (или чуть шире), без разрыва зазоров по бокам.
4. Земля. Полигон GND на верхнем слое вокруг линии и под модулем без дорожек. Нижний слой (или L2) — сплошная земля под всем модулем, линией и разъёмом. У полуотверстий GND модуля — отверстия на нижнюю землю.
5. Забор. Ряды отверстий вдоль линии с шагом 3–5 мм: Tools›Via Stitching/Shielding›Add Shielding to Net. Отдельные отверстия — у каждой земляной площадки параллельных элементов П-цепи и у лапок SMA.
6. Остальное. МК и стабилизатор — по другую сторону от модуля. Цифровые линии не идут под модулем и под ВЧ-линией. Если у тебя модуль с чип-антенной или печатная антенна — keep-out по уроку 12.7.

[СКРИНШОТ: ВЧ-часть узла LoRa в Altium: модуль E22 у края платы, линия CPWG к торцевому SMA, площадки П-цепи и ряды переходных отверстий]public/screenshots/m12-rf/l09-rf-layout.png

🛠Особенность Altium

Проверь линию в 3D-виде и в режиме одного слоя: зазоры CPWG должны быть одинаковыми по всей длине, полигон не должен «затекать» к площадкам П-цепи. После каждой перезаливки полигонов перепроверь зазоры. Если Altium выдаёт нарушения правил для отверстий забора, задай для них отдельный стиль и правило, как в уроке 5.6, а не отключай проверку.

Шаг 5. Чек-лист ВЧ-части перед заказом

• Ширина и зазор линии взяты из калькулятора фабрики для её стека; контроль импеданса заказан (или осознанно нет).
• Линия ANT → П-цепь → SMA короткая и прямая, без переходных отверстий в ней самой.
• Под модулем, линией и разъёмом — сплошная земля на соседнем слое, без разрезов и чужих дорожек.
• Забор вдоль линии, отверстия у каждой земляной площадки П-цепи, у лапок SMA и у выводов GND модуля.
• П-цепь: 0 Ом последовательно, два места DNP; DNP отмечены в схеме и в BOM (урок 10.4).
• Посадочное место SMA — из даташита разъёма, толщина платы подходит под этот разъём.
• На выводы модуля не попадает больше 3,3 В; стабилизатор держит ток передачи.
• Цифра, DC-DC и кварц МК — подальше от ВЧ-части.
• Есть контрольные точки: питание модуля, GND; по возможности — второй разъём или площадки под пигтейл для измерения.

⚠️ВниманиеРегуляторика EU 868

Модуль на +22 дБм в большинстве европейских подполос 868 МГц нужно ограничивать по мощности. По ERC Rec 70-03: 868,0–868,6 МГц — 25 мВт ЭИМ (e.r.p.) и скважность (duty cycle) 1 % (или LBT + AFA); 868,7–869,2 МГц — 25 мВт и 0,1 %; 869,4–869,65 МГц — до 500 мВт и 10 %. Скважность 1 % значит, что в среднем ты передаёшь не больше 36 секунд в час. Правила в разных странах отличаются, и решает национальный регулятор. Это ориентир, а не юридическая консультация.

🧯 Типичные ошибки

Модуль подключили к МК на 5 В «на пробу»

Почему Абсолютный максимум E22-900M22S — 3,7 В по питанию, логические входы рассчитаны на 3,3 В. Пять вольт выводят модуль из строя.

Как исправить МК на 3,3 В или преобразователи уровней на всех линиях SPI и управления. Проверь напряжения до установки модуля.

Включили передачу без антенны

Почему Без нагрузки вся мощность отражается обратно в усилитель. Многие производители прямо запрещают так делать: можно повредить выходной каскад.

Как исправить Перед первой передачей подключи антенну или нагрузку 50 Ом. На стенде — через аттенюатор к спектроанализатору (урок 12.10).

Под модулем провели SPI и питание, «там же всё равно земляные полуотверстия»

Почему Производитель требует под модулем сплошную землю: дорожки под ним наводят помехи в приёмник и нарушают обратный путь ВЧ-тока.

Как исправить Под модулем — только земля. Все линии подходят к модулю со стороны своих выводов.

Параллельные элементы П-цепи забыли отметить DNP

Почему Монтажник поставит туда что-то из BOM или по ошибке перемкнёт. Линия окажется закорочена или расстроена.

Как исправить Отметь DNP в параметрах компонентов, в BOM и на сборочном чертеже.

Проверь себя

1. 1. Зачем на линии от модуля к разъёму П-цепь, если модуль и антенна уже 50 Ом?

   Она нужна для защиты от статикиЭто запас на подстройку: по умолчанию 0 Ом и два DNP, а если измерение покажет рассогласование, номиналы подберут без переделки платыБез неё модуль не включитсяОна фильтрует питание
2. 2. Двухслойная плата 1,6 мм, εr = 4,3. Почему линию делают CPWG, а не микрополоском?

   Микрополосок 50 Ом шириной около 3 мм намного шире вывода ANT; CPWG даёт около 1,3 ммМикрополосок нельзя делать на двухслойной платеCPWG не требует расчётаМикрополосок не бывает 50 Ом
3. 3. Что означает скважность 1 % в подполосе 868,0–868,6 МГц?

   Мощность должна быть не больше 1 % от максимальнойПередавать можно не больше 1 % времени, в среднем около 36 секунд в часМожно занять только 1 % ширины полосыДопускается 1 % ошибок в пакетах
4. 4. Какой вариант радиочасти разумен для первого ВЧ-проекта без векторного анализатора?

   SX1262 на плате по своему расчётуГотовый модуль (E22, Wio-SX1262) с внешней антенной на SMAПечатная антенна собственного расчётаЛюбой — разницы нет

🎯Практическое задание~180 мин

Сделай проект узла LoRa целиком в Altium. Вариант стека — двухслойный 1,6 мм или четырёхслойный, на выбор, с обоснованием. Схема: МК на 3,3 В, стабилизатор, E22-900M22S (или Wio-SX1262-N), П-цепь 0402 (0 Ом + 2 × DNP), торцевой SMA, разъём программирования и питания. Библиотека: посадочное место модуля и SMA — по даташитам (уроки 8.4 и 8.5). Топология — по шагам и чек-листу урока. Выпусти Gerber, сверловку и BOM с отмеченными DNP. Отдельно запиши W, S и стек, которые дал калькулятор фабрики, и сравни их с оценками урока.