PCB阻抗設(shè)計(jì)匹配的理想模型及方法

什么是阻抗

在電學(xué)中，常把對電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個(gè)復(fù)數(shù)：

Z= R+i(?ωL–1/(ωC))

具體說來阻抗可分為兩個(gè)部分，電阻（實(shí)部）和電抗（虛部）。

其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。

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阻抗匹配的理想模型

射頻工程師大都遇到過匹配阻抗的問題，通俗的講，阻抗匹配的目的是確保能實(shí)現(xiàn)信號或能量從“信號源”到“負(fù)載”的有效傳送。

其最最理想模型當(dāng)然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆，傳輸線的阻抗為50歐姆，Load端的輸入阻抗也是50歐姆，一路50歐姆下去，這是最理想的。

然而實(shí)際情況是：源端阻抗不會(huì)是50ohm，負(fù)載端阻抗也不會(huì)是50ohm，這個(gè)時(shí)候就需要若干個(gè)阻抗匹配電路。

而匹配電路就是由電感和電容所構(gòu)成，這個(gè)時(shí)候我們就需要使用電容和電感來進(jìn)行阻抗匹配電路調(diào)試，以達(dá)到RF性能最優(yōu)。

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阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有兩個(gè)，一是改變阻抗力，二是調(diào)整傳輸線。

改變阻抗力就是通過電容、電感與負(fù)載的串并聯(lián)調(diào)整負(fù)載阻抗值，以達(dá)到源和負(fù)載阻抗匹配。

調(diào)整傳輸線是加長源和負(fù)載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調(diào)整為零。

此時(shí)信號不會(huì)發(fā)生發(fā)射，能量都能被負(fù)載吸收。

高速PCB布線中，一般把數(shù)字信號的走線阻抗設(shè)計(jì)為50歐姆。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對絞線（差分）為85-100歐姆。

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Smith圓圖在RF匹配電路調(diào)試中的應(yīng)用

Smith圓圖上可以反映出如下信息：?阻抗參數(shù)Z，導(dǎo)納參數(shù)Y，品質(zhì)因子Q，反射系數(shù)，駐波系數(shù)，噪聲系數(shù)，增益，穩(wěn)定因子，功率，效率，頻率信息等抗等參數(shù)。

是不是一臉懵，我們還是來看阻抗圓圖吧：

阻抗圓圖的構(gòu)圖原理是利用輸入阻抗與電壓反射系數(shù)之間的一一對應(yīng)關(guān)系，將歸一化輸入阻抗表示在反射系數(shù)極坐標(biāo)系中，其特點(diǎn)歸納如下：

上半圓阻抗為感抗，下半圓阻抗為容抗；

實(shí)軸為純電阻，單位圓為純電抗；

實(shí)軸的右半軸皆為電壓波腹點(diǎn)（除開路點(diǎn)），左半軸皆為電壓波節(jié)點(diǎn)（除短路點(diǎn)）；

匹配點(diǎn)（1，0），開路點(diǎn)（∞，∞）和短路點(diǎn)（0，0）；

兩個(gè)特殊圓:最大的為純電抗圓，與虛軸相切的為匹配圓；

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向:逆時(shí)針轉(zhuǎn)為向負(fù)載移動(dòng)，順時(shí)針轉(zhuǎn)為向波源移動(dòng)。

導(dǎo)納圓圖與阻抗圓圖互為中心對稱，同一張圓圖，即可以當(dāng)作阻抗圓圖來用，也可以當(dāng)作導(dǎo)納圓圖來用，但是在進(jìn)行每一次操作時(shí)，若作為阻抗圓圖用則不能作為導(dǎo)納圓圖。

Smith圓圖中，能表示出一些很有意思的特征：

在負(fù)載之前串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)可變電感/電容，電路圖如下圖左側(cè)4個(gè)圖所示，將得到Smith圓圖上右側(cè)的幾條曲線。

對應(yīng)Smith阻抗圓及導(dǎo)納圓，其運(yùn)動(dòng)軌跡如下：

使用Smith阻抗圓時(shí)，串聯(lián)電感順時(shí)針轉(zhuǎn)，串聯(lián)電容逆時(shí)針轉(zhuǎn)；

使用Smith導(dǎo)納圓時(shí)，并聯(lián)電感，逆時(shí)針轉(zhuǎn)，并聯(lián)電容順時(shí)針轉(zhuǎn)。

編輯：黃飛

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