Cadence技術(shù)解讀 天線的阻抗匹配技術(shù)

本文要點(diǎn)

天線的阻抗匹配技術(shù)旨在確保將最大功率傳輸?shù)教炀€中，從而使天線元件能夠強(qiáng)烈輻射。

天線阻抗匹配是指將天線饋線末端的輸入阻抗與饋線的特性阻抗相匹配。

為此通常會(huì)使用濾波電路，因?yàn)榻?jīng)過(guò)配置之后，它們可以在所需傳輸頻率上提供特定阻抗。

雖然天線的形狀和尺寸多種多樣，但它們有一個(gè)共同點(diǎn)：需要在饋線末端施加阻抗匹配，以確保向負(fù)載傳輸最大功率。阻抗匹配電路非常簡(jiǎn)單；它們充當(dāng)濾波器，可確保天線的饋線阻抗與天線輸入端口的輸入阻抗相匹配。要在天線或其他 RF 電路元件實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，最簡(jiǎn)單的方法是從濾波的角度出發(fā)。

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定義阻抗匹配要求

天線阻抗并不總是 50 歐姆，因此需要運(yùn)用阻抗匹配技術(shù)。有些天線（如芯片天線）在制造時(shí)阻抗較低或較高。對(duì)于其他天線，如印刷天線，可能很難設(shè)計(jì)出完全符合 50 歐姆目標(biāo)阻抗的天線；走線可能非常寬，或者天線可能占用電路板空間。最終的結(jié)果是需要縮小天線尺寸，因而造成阻抗失配。

此外，天線及其匹配網(wǎng)絡(luò)可能連接到短饋線，因此饋線的輸入阻抗可能不等于饋線的特性阻抗。相反，輸入阻抗需要與發(fā)射器的輸出阻抗相匹配，以便盡可能降低天線輸入端和饋線輸入端的回波損耗 (S11)。雖然帶有集成式 RF 收發(fā)器的設(shè)備通常采用或可以配置 50 歐姆的片上終端 (on-die termination)，但這并不意味著阻抗匹配是完美的。

如果采用基于電路的方法，天線阻抗匹配技術(shù)有多種選擇。目標(biāo)是確保（天線 + 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)）等效阻抗與傳輸線入口處的輸入阻抗相匹配。典型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下表所示：

串聯(lián) LC 濾波器之類的電路沒有用處，因?yàn)樗鼈儠?huì)有一個(gè)阻帶。如果需要達(dá)到非?？焖俚臐L降，也可以使用高階 RF 濾波器，不過(guò)這會(huì)增加元件數(shù)量。無(wú)論使用哪種類型的濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，（天線 + 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)）阻抗都應(yīng)與天線饋線特性阻抗相匹配。為此，可以通過(guò) SPICE 仿真進(jìn)行評(píng)估。一旦確定了這種匹配，就可以回溯到天線輸入端口，確保進(jìn)一步匹配。

輸入阻抗

（天線 + 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)）與饋線的目標(biāo)阻抗相匹配后，下一步是確保輸入阻抗也與 50 歐姆相匹配。利用天線輸入端的反射系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)傳輸線輸入阻抗方程，就可以很輕松地做到這一點(diǎn)：

已知傳播常數(shù)和所選長(zhǎng)度的饋線輸入阻抗。請(qǐng)注意，在計(jì)算饋線的輸入阻抗之前，必須先知道天線的阻抗。

理想情況下，天線阻抗也應(yīng)達(dá)到 50 歐姆。然后可以計(jì)算饋線輸入端的 S11（回波損耗）；典型的設(shè)計(jì)目標(biāo)是該輸入端口的損耗不超過(guò) 20 dB。

Stub 匹配

傳輸線 stub 也可以作為并聯(lián)元件，就像并聯(lián)電容器或電感器一樣。只需將上述輸入阻抗方程用于 stub 部分，即可計(jì)算出 stub 充當(dāng)?shù)刃щ娐吩淖饔谩Ｔ谑褂糜∷㈦娐吩臒o(wú)源 RF 電路中，stub 的使用非常普遍，因此也適合用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。請(qǐng)注意，由于電磁場(chǎng)在傳輸線 stub 上的傳播行為，可以使用開路或短路傳輸線 stub 來(lái)匹配多個(gè)頻率。

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阻抗匹配電路的替代方案

在本文中，我們研究了使用各種濾波電路進(jìn)行阻抗匹配的方法，在連接芯片天線、同軸連接器，甚至印刷天線、走線或縫隙天線時(shí)，這些方法十分常見。電路設(shè)計(jì)方法是標(biāo)準(zhǔn)方法，因?yàn)?strong>在 SPICE 仿真器中實(shí)施參數(shù)掃描非常簡(jiǎn)單，可檢查天線輸入端口的輸入阻抗和反射系數(shù)。對(duì)于不喜歡使用電路仿真的用戶，也可以使用其他工具來(lái)實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配。

史密斯圓圖也可以用于實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配。這是一種應(yīng)用阻抗匹配的圖形方法，需要添加串聯(lián)或并聯(lián)的 L 和 C 元件來(lái)跟蹤（天線 + 匹配網(wǎng)絡(luò)）組合的阻抗。網(wǎng)上有許多關(guān)于如何使用史密斯圓圖的指南，我們建議新手天線設(shè)計(jì)人員在首次嘗試使用史密斯圓圖時(shí)先參考這些指南。請(qǐng)務(wù)必牢記在圖表中應(yīng)用 L 和 C 元件的串聯(lián)和并聯(lián)規(guī)則（見下文）。

史密斯圓圖的串聯(lián)和并聯(lián)規(guī)則用于將（天線 + 匹配網(wǎng)絡(luò)）的總阻抗移至 50 歐姆的目標(biāo)阻抗。

針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)輻射體的最后一種方法是使用電磁場(chǎng)求解器。3D 有限差分頻域 (Finite-difference frequency domain ，即 FDFD) 仿真可用于檢查設(shè)備發(fā)出的電磁場(chǎng)，然后將其與天線中的電壓和電流分布相關(guān)聯(lián)。更復(fù)雜的求解器可以從這些結(jié)構(gòu)中提取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，直接計(jì)算輸入端口和所需發(fā)射頻率/帶寬的 S11。然后，設(shè)計(jì)人員就可以利用這些數(shù)據(jù)，使用上文概述的其他技術(shù)來(lái)確定天線設(shè)計(jì)的阻抗匹配量。

Cadence 為此提供了 Clarity 3D Solver 電磁仿真工具，此工具非常適合在獨(dú)特的 RF 系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)、互連設(shè)計(jì)和波導(dǎo)設(shè)計(jì)中實(shí)施阻抗匹配技術(shù)。這款強(qiáng)大的 3D EM 仿真器基于高精度有限元方法（FEM），現(xiàn)已集成在 Cadence AWR Design Environment 平臺(tái)中，為射頻集成電路（RFIC）/單片微波集成電路（MMIC）、模塊和射頻 PCB 設(shè)計(jì)者提供了隨時(shí)進(jìn)行大容量電磁分析的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜射頻/混合信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和簽核。