射頻電路中的阻抗變換

阻抗變換在很多人看來(lái)很神秘，甚至不可理喻：

“什么是匹配網(wǎng)絡(luò)？”

“為什么要在負(fù)載電路之前加這么多電感電容？”

“如果負(fù)載是100歐姆要與源阻抗50歐匹配，直接在負(fù)載并聯(lián)一個(gè)100歐負(fù)載不就行了嗎”……這樣的問(wèn)題常被提出。

下面是一個(gè)初中物理題，“已知電壓源電阻是Zs，問(wèn)Zl多大時(shí)，Zl上的功率最大。推導(dǎo)過(guò)程這里省略，結(jié)果是當(dāng)Zl=Zs時(shí)，Zl上能獲得最大功率。

圖1

讓負(fù)載獲得最大功率就是電路需要阻抗匹配的原因。在射頻鏈路中，上面例題的電壓源的信號(hào)由直流變?yōu)榻涣鳎舅枷胧峭耆恢碌?。射頻電路中的阻抗變換要達(dá)到的效果是——“在電路中的任意點(diǎn)，分別往源端和負(fù)載端看去，他們的阻抗是互為共軛的。”而射頻電路中，完成阻抗匹配的工具是電感、電容和微帶線。為什么沒(méi)有電阻？因?yàn)槠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)是不能耗能的,電阻耗能器件。

我們?cè)倏匆坏览}，每一位學(xué)過(guò)高頻電路的同學(xué)都做過(guò)，其中的奧秘妙不可言。

例2：在中心頻率為500MHz時(shí)，把功率管的輸入阻抗從1.0+j2.0匹配到50歐，品質(zhì)因素Q=2。

解：例題的解題思路：

(1)將串聯(lián)形式的負(fù)載轉(zhuǎn)化為并聯(lián)形式，串聯(lián)電路到并聯(lián)電路的等效轉(zhuǎn)換；

(2)增加新的電抗元件，諧振掉原電路的電抗因素，使電路呈現(xiàn)的阻抗無(wú)虛部狀態(tài)；

(n)直到電路阻抗變換到50歐姆

解題步驟：

串并轉(zhuǎn)換

功率管的輸入阻抗為1.0＋j2.0，則串聯(lián)等效電阻RS=1,Xs=j2.0;

并聯(lián)等效電阻RP1=RS(1+Q2)=5;

并聯(lián)等效電抗XP1=Xs(1+ Q2)/ Q2=j2.5;

諧振電抗

設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，首先在電路中并聯(lián)一個(gè)XC1=-j2.5以綜合原電路中的電抗部分，此時(shí)電路實(shí)際上等效為一個(gè)5歐姆負(fù)載;

升高或降低實(shí)阻抗以匹配到50歐姆

此時(shí)雖然得到實(shí)阻抗5歐，但沒(méi)有達(dá)到50歐姆的目的，需要繼續(xù)阻抗匹配，設(shè)下一步阻抗匹配的Q值為2（射頻電路的帶寬取決于系統(tǒng)的品質(zhì)因素，品質(zhì)因素越大，帶寬越窄，所以一般做匹配時(shí)，選擇品質(zhì)因素一般越小越好。），故串聯(lián)一個(gè)新的電抗10j。

圖2、例2阻抗變換分步示意圖

圖3、例2匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖

實(shí)際上，串并電路的等效轉(zhuǎn)換反映到Smith圓圖上就是同一個(gè)阻抗點(diǎn)阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖的不同表達(dá)形式，下面我們用SMITH圓圖工具來(lái)完成例2：

阻抗變換是射頻鏈路中最基本的要素，在原理圖設(shè)計(jì)中我們經(jīng)常借助各種EDA工具來(lái)設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如ADS，smith-chart等，電路板貼片回來(lái)后，由于PCB工藝、電感和電容的頻率特性等因素，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)還需要射頻工程師對(duì)著網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試，隨著頻率的升高，阻抗匹配主要由微帶線和腔體完成，西方的工程師稱(chēng)射頻模塊是“Magic BOX”,這是射頻行業(yè)的魅力所在，一件優(yōu)秀的射頻產(chǎn)品的內(nèi)涵是由設(shè)計(jì)師的2分經(jīng)驗(yàn)、3分設(shè)計(jì)和5分的調(diào)試共同構(gòu)成。

審核編輯：湯梓紅