射頻電路匹配網絡分析與設計探究

李華鴻 周 易 劉梅芳

三維通信股份有限公司 浙江 杭州310053

1 引言

由于網絡通信技術的提升,傳統下電子通信系統的工作頻率范圍已經無法滿足其工作需要,頻率工作范圍必須要不斷擴大,目前已經達到了GHz的頻段,并且還在不斷向更高的頻段延伸。射頻電路系統運行過程中的工作頻率和信號的傳輸方式均對傳輸過程中的穩定性會產生直接的影響,所以實現電流功率的高效率傳輸,將有助于負載阻抗和電源阻抗之間取得更好的匹配,對傳輸時信號能量的損耗最小。因此必須做好網絡的匹配設計。

2 傳輸線工作原理及其狀態

在射頻通信系統的傳輸中,它具有頻率高、波長短的特點。如果傳輸信號中長線傳輸的幾何長度要比信號波長還要長,這就和傳輸線理論有一定的關系。該理論是一種分布參數的理論,對其分析時,可以把整個傳輸線看成是多個等效的、且長度要比傳輸信號波長的微元還短的信號。如下圖是一個等效電路圖,在圖中,R是電路的阻抗,L是電路的電感、G 是電路的電導,C是電路的電容。

在傳輸線路當中,入射波電壓和入射波電流之間的比值,就叫做特性阻抗,人們通常使用Z0來表示。其公式表達形式為:

在傳輸線路當中,任意一點的輸入阻抗均和該點位置的電壓值和電流值的比值都是處在一個相等的關系狀態,其公式表達形式為:

在上式子中,V(z)表示該點位置的電壓值,I(z)表示該點位置的電流值,z表示距離負載的長度,β=2Π/λ。

在傳輸線路當中,某位置反射相量的電壓和入射相量的電壓比值就是反射系數,其公式為:

上面的等式當中,字母γ代表線路中的傳播常數。

通過上述的(2)和(3)式子可知,傳輸線上的電壓值、電流和阻抗的分布與傳輸線負載大小有著直接的關系,同時傳輸線上負載的大小也直接影響到了傳輸線在工作時是否能處于穩定的狀態。

在傳輸線中,當負載和傳輸線特性的阻抗值一致時,即ZL=Z0,通過上述(3)式可知,沒有反射現象的發生,而在傳輸線中也只會有行波存在。如果負載中有短路、開路或者是純電抗等各種狀態出現時,對應的終端反射系數值就會接近1,此時傳輸線中將不能進行能量的傳遞,輸入信號通過傳輸線線的傳遞,到達終端后能量也無法被全部吸收,剩余的那部分信號則會沿著傳輸線反彈回去,這樣就相當于在傳輸線中有兩個信號,一個是入射波,一個是反射波,并且他們的振幅產生疊加,此時稱為駐波工作狀態。如果在終端出現了短路或者是開路,此時輸入的阻抗稱為純電抗。在電路圖中可以使用一個合適長度的短路線或者是開路線來表示,它有助于網絡設計的匹配。

3 傳輸線阻抗匹配的形式

傳輸線的作用是在電路中傳遞功率和各種信號信息。只有當電路系統中的負載部件和傳輸線之間 真正得到了妥當的匹配,才會使得傳輸線反射系數值接近零。目前使用到的阻抗匹配一般有三種形式,其分別定義如下:

波源阻抗匹配:信號源的內阻數值和傳輸線的特性阻抗數值處于相等狀態,也就是Zs=Z0。信號源屬于匹配源的類型。當電路中出現不匹配的現象時,信號源內阻會將由于負載引起的反射波全部吸收掉,并且不會造成二次反射現象。在這個狀態下,呈現出來的特點是從匹配源輸出來的入射波不會因為負載的變化而發生改變,它的好處在于可以提高測量的精度。

負載阻抗匹配:即負載的阻抗與電路系統中特性阻抗的數值是一樣的,也就是ZL=Z0。如果早電路系統運行中的傳輸線是行波的時候,負載反射系數值就為零,此時將全部的入射功率完全吸收,傳輸功率的效率值就會在最高的位置。在這個狀態下,呈現出來的特點是在傳輸線的任意位置,輸入阻抗都是純電阻的特性,其值不會隨著頻率的變化而發生變化。

共軛阻抗匹配:負載的阻抗表現為不匹配,這個時候Zi=Zs,當在電路系統當中的某個位置處輸入阻抗和信號源內阻互為共軛阻抗的關系時,相當于共軛阻抗已經完成了匹配.在該種狀態下,由于傳輸效率的提升,從信號源輸出來的功率值達到了最大的狀態。

為了保證射頻電路的匹配性,這三種匹配狀態同時出現是比較理想的狀態。但是實際上比較難以實現。為了保證實際射頻電路的傳輸效率提升,要結合它的特點,通過使用最重要的阻抗匹配達到負載阻抗的匹配目的。

4 阻抗匹配的方法

4.1 集電路系統中總參數元件的匹配網絡設計方法 如果射頻電路屬于低頻電路,可以通過分立元件來達到網絡匹配的目的。分立元件常見的形式有三元件T型或者是Π型的匹配網絡、雙元件L型匹配網絡。雙元件L型的匹配網絡中又可以分為電阻性的L型網絡匹配和有電抗性質的網絡匹配。(如下圖所示。)

圖中的RS和RL分別指的是電路源端的電阻和負載上的電阻。其計算式分別如下:

如果電阻性的匹配電路對頻率沒有很強的敏感性,可應用到寬帶上。但是電阻會消耗一部分信號功率,造成功率的效率值下降。其電抗性的匹配電路功率耗散值為零,通過設計對T型和Π型進行網絡匹配,來匹配合適的網絡寬帶,從而使得上設計比較容易實現。

4.2 單電抗性元件匹配網絡設計或是短截線匹配網絡設計 在無損耗傳輸線路當中,ZL為其終端的阻抗,其反射系數的值表現為比較穩定。通過上文所論述的(2)式可知,從所觀察的某一點在負載的位置移開時,在電路系統當中某一點的位置歸一化輸入阻抗的實部數值會變成1。此時在該位置的串聯或者是并聯的單一電抗性元件或者是某一段傳輸線的短截線可以將反射信號進行消除,并將該點之后的反射系數值變為0。(以下圖為例來進行說明。)

根據阻抗公式可知,如果在dS處要進行適當的匹配,實部處的值就必須要為1。因此可以將dS的值給確定下來,并利用該處的串聯電抗抵消輸入阻抗的虛部。

4.3 雙短截線的匹配網絡 雙短截線的電路匹配圖如下所示:

負載的阻抗ZL發生轉換之后,就轉換成了L位置短截線的歸一化導納。通過上圖我們可以看出j B1和j B2是明顯的串聯關系,兩種不同的歸一化電納經過疊加以后形成的歸一化電納在電路傳輸過程中到達另外一個短截線的位置。該位置的網絡匹配條件就是歸一化電納的數值必須是1。處于虛部位置和j B2的電納因為存在共軌現象而相互抵消。

通過對上圖進行觀察可以知道,j B1是電路中第一條短截線的電納,j B2是第二條短截線的電納。通過點納指則可以將短路線的長度計算出來。

λ/4阻抗變換器從理論的角度來說對于匹配純電阻性的負載確實是有一定作用的。如果射頻電路中的負載為復阻抗,通過這種方法則有可能無法進行匹配。此時阻抗變換器的接入點需要更換位置,將其接在電壓波結點或者是電壓波的腹點處來實現匹配的調節。這是因為在這兩個點的位置處,其輸入阻抗為出電阻。

5 結語

通過上文的論述可知,在射頻通信系統中,如果要實現更好的匹配,必須要對阻抗匹配電路進行良好的設計,這將會影響到整個電路系統的傳遞效率,而且還影響到對傳輸功率的容量和電路的工作穩定性。此外,電路測量的精度誤差、各電子元器件的使用壽命等也有著緊密的關系。這就要求電路或者是系統之間有著良好的阻抗匹配。射頻電路在進行網絡匹配設計的過程中,必須要時刻注意對負載的阻抗變化情況進行實時確認,并依據其負載的阻抗變化趨勢來調整各參數的具體數值,實現射頻信號和負載之間能夠始終可以處于較好的阻抗匹配工作狀態。