4-1 天線設計與模擬
4-1-1 天線設計的部分一般使用 HFSS 軟體進行模擬，其流程如圖 4-1 所示。
由於Nordic 發展平台已提供合用的單極天線（Monopole Antenna），我 們加以沿用，並著重在天線與RF IC 的阻抗匹配。
圖4-1 天線設計製作流程
4-1-2 天線匹配的電路圖如圖 4-2 所示，使用 ADS 模擬結果在 2.4GHz 的匹配 良好，RL(Return Loss) 達到-20dB，如圖 4-3 所示。
圖4-2 ADS 2.4GHz schematic
圖4-3 ADS 2.4GHz dB（S（1,1））阻抗匹配模擬
4-2 無線溫度感測系統完成
4-2-1 無線溫度感測系統架構圖
本論文的無線溫度感測系統，如圖4-4 包含兩大部分：
（1）發射器：包含 nRF24LE1 RF IC、DS1821 及攜帶型電源部分。
（2）接收器（nRF6900 Kit）: 包含 nRF6900 Mother Board，nRF24LE1 Kit。
Mother Board 主要做為 Firmware download 用，且提供 UART 輸出。
圖4-4 無線溫度感測器系統全圖 ( 1 )
( 2 )
4-2-2 無線溫度感測器 SMA 測試板,如圖 4-5 所示：它包含 nRF24LE1 RF IC、
電源及SMA 接頭,但是沒有接上天線。SMA 測試板主要目的為 RF 端 阻抗匹配的量測及調整，透過網路分析儀的量測，可瞭解該PCB 的 layout 及被動元件的組合是否符合設定之頻率及發射功率之要求。
圖4-5 無線溫度感測器 SMA 測試板
無線溫度感測器測試板，包含nRF24LE1 RF IC，DS1821 及電源，如圖 4-6 所示。
圖4-6 無線溫度感測器測試板
ISP
DS1821 nRF24LE1
天線
4-2-3 邏輯分析儀量測：因 DS1821 為單線式控制方式，故在時序上的要求較 嚴謹，必須使用邏輯分析儀，如圖4-7 所示。主要目的為確認 nRF24LE1 與DS1821 間 Command 及 response 時序上的問題。
圖4-7 邏輯分析儀量測
4-2-4 無線感測器溫度傳輸測試
無線感測器溫度傳輸測試架構圖如圖4-8 所示，用來驗證無線感測器 DS1821 所記錄到的溫度資訊是否能透過 RF IC 以無線方式傳送到接收 端。
圖4-8 無線感測器溫度傳輸測試
我們可以透過接收器的 UART 端來顯示 DS1821 溫度資訊及其輸出波形。量測 的溫度資訊如圖4-9 所示。根據表 4-1 溫度與資料對照表，螢幕顯示的 0x17 換 算結果為溫度= 23 ℃,即當時的室溫。邏輯分析儀所顯示的波形如圖 4-10 所示, 邏輯分析儀輸出的資訊為二進位串流,換算為十六進位即等於 0x17 與螢幕顯示 吻合。且在無障礙的空間無線傳輸距離可達15-20 公尺。
圖4-9 UART 顯示溫度資訊
圖4-10 DS1821 溫度數位波形
表4-1 溫度與資料對照表
1 1 1 0 1 0 0 0
4-3 無線發射功率與阻抗量測
nRF24LE1 可以用軟體設定為 tuning 模式,用來驗證其中心頻率設定是否準 確。若我們將輸出功率設定為 0dBm, 中心頻率設在 2.4GHz, 含印刷式天線的 溫度感測器量測到的發射功率為-13.2dBm，而中心頻率則在 2.4GHz，如圖 4-11 所示。因此天線效率及無線傳輸距離產生的損耗約為13dBm。
圖4-11 0dBm 印刷式天線發射功率量測
以相同的設定,改用無線感測器 SMA 測試板直接連上頻譜分析儀量測如圖 4-12,我們得到的發射功率為 -9.8dBm, 如圖 4-13 所示。
圖4-12 0dBm SMA 阻抗匹配量測
圖4-13 0dBm SMA 發射功率量測
這顯示我們的天線匹配電路並非調在最佳狀態。因此,我們對無線感測器 SMA 測試板再做了Return loss 阻抗量測。結果如圖 4-14 及圖 4-15 所示。分析結果：
天線設計為50Ω，圖 4-14 之頻帶中以 Mkr 3 量測結果達到-20dB 最接近 50Ω，
但在圖4-15 顯示匹配最佳的頻率落在 1.8 GHz，未能滿足 2.4GHz 的設計，需 再做調整。
圖4-14 0dBm SMA S（1,1）
圖4-15 0dBm SMA Smith Chart
4-4 系統功率消耗
我們也針對 standby 模式及 Tx 模式量測無線感測器的功率消耗, 其消耗電 流如表4-2 所示, 其中 standby 模式電流只有 3uA 左右,遠小於 Tx 模式電流的 4.9mA。
PARAMETER SYMBOL CONDITION MIN TYP MAX UNIT Supply Voltage VDD +2.7 +3.6 V
Standby
Current IQ VDD=3V 1.5 3.5 μA Active Current IDD VDD=3V 4600 4900 μA
表4-2 系統功率消耗
上述 Tx 模式的量測輸出的功率設定在 0dBm 時，消耗總功率為 14.7mW，而在 Standby 模式消耗可降至 9μW，不到 Tx 模式的千分之一。另外可以設定 Tx 不 同的發射功率，來降低系統的總功率消耗。