射频电路匹配网络分析与设计探究

李华鸿 周 易 刘梅芳

三维通信股份有限公司 浙江 杭州310053

1 引言

由于网络通信技术的提升,传统下电子通信系统的工作频率范围已经无法满足其工作需要,频率工作范围必须要不断扩大,目前已经达到了GHz的频段,并且还在不断向更高的频段延伸。射频电路系统运行过程中的工作频率和信号的传输方式均对传输过程中的稳定性会产生直接的影响,所以实现电流功率的高效率传输,将有助于负载阻抗和电源阻抗之间取得更好的匹配,对传输时信号能量的损耗最小。因此必须做好网络的匹配设计。

2 传输线工作原理及其状态

在射频通信系统的传输中,它具有频率高、波长短的特点。如果传输信号中长线传输的几何长度要比信号波长还要长,这就和传输线理论有一定的关系。该理论是一种分布参数的理论,对其分析时,可以把整个传输线看成是多个等效的、且长度要比传输信号波长的微元还短的信号。如下图是一个等效电路图,在图中,R是电路的阻抗,L是电路的电感、G 是电路的电导,C是电路的电容。

在传输线路当中,入射波电压和入射波电流之间的比值,就叫做特性阻抗,人们通常使用Z0来表示。其公式表达形式为:

在传输线路当中,任意一点的输入阻抗均和该点位置的电压值和电流值的比值都是处在一个相等的关系状态,其公式表达形式为:

在上式子中,V(z)表示该点位置的电压值,I(z)表示该点位置的电流值,z表示距离负载的长度,β=2Π/λ。

在传输线路当中,某位置反射相量的电压和入射相量的电压比值就是反射系数,其公式为:

上面的等式当中,字母γ代表线路中的传播常数。

通过上述的(2)和(3)式子可知,传输线上的电压值、电流和阻抗的分布与传输线负载大小有着直接的关系,同时传输线上负载的大小也直接影响到了传输线在工作时是否能处于稳定的状态。

在传输线中,当负载和传输线特性的阻抗值一致时,即ZL=Z0,通过上述(3)式可知,没有反射现象的发生,而在传输线中也只会有行波存在。如果负载中有短路、开路或者是纯电抗等各种状态出现时,对应的终端反射系数值就会接近1,此时传输线中将不能进行能量的传递,输入信号通过传输线线的传递,到达终端后能量也无法被全部吸收,剩余的那部分信号则会沿着传输线反弹回去,这样就相当于在传输线中有两个信号,一个是入射波,一个是反射波,并且他们的振幅产生叠加,此时称为驻波工作状态。如果在终端出现了短路或者是开路,此时输入的阻抗称为纯电抗。在电路图中可以使用一个合适长度的短路线或者是开路线来表示,它有助于网络设计的匹配。

3 传输线阻抗匹配的形式

传输线的作用是在电路中传递功率和各种信号信息。只有当电路系统中的负载部件和传输线之间 真正得到了妥当的匹配,才会使得传输线反射系数值接近零。目前使用到的阻抗匹配一般有三种形式,其分别定义如下:

波源阻抗匹配:信号源的内阻数值和传输线的特性阻抗数值处于相等状态,也就是Zs=Z0。信号源属于匹配源的类型。当电路中出现不匹配的现象时,信号源内阻会将由于负载引起的反射波全部吸收掉,并且不会造成二次反射现象。在这个状态下,呈现出来的特点是从匹配源输出来的入射波不会因为负载的变化而发生改变,它的好处在于可以提高测量的精度。

负载阻抗匹配:即负载的阻抗与电路系统中特性阻抗的数值是一样的,也就是ZL=Z0。如果早电路系统运行中的传输线是行波的时候,负载反射系数值就为零,此时将全部的入射功率完全吸收,传输功率的效率值就会在最高的位置。在这个状态下,呈现出来的特点是在传输线的任意位置,输入阻抗都是纯电阻的特性,其值不会随着频率的变化而发生变化。

共轭阻抗匹配:负载的阻抗表现为不匹配,这个时候Zi=Zs,当在电路系统当中的某个位置处输入阻抗和信号源内阻互为共轭阻抗的关系时,相当于共轭阻抗已经完成了匹配.在该种状态下,由于传输效率的提升,从信号源输出来的功率值达到了最大的状态。

为了保证射频电路的匹配性,这三种匹配状态同时出现是比较理想的状态。但是实际上比较难以实现。为了保证实际射频电路的传输效率提升,要结合它的特点,通过使用最重要的阻抗匹配达到负载阻抗的匹配目的。

4 阻抗匹配的方法

4.1 集电路系统中总参数元件的匹配网络设计方法 如果射频电路属于低频电路,可以通过分立元件来达到网络匹配的目的。分立元件常见的形式有三元件T型或者是Π型的匹配网络、双元件L型匹配网络。双元件L型的匹配网络中又可以分为电阻性的L型网络匹配和有电抗性质的网络匹配。(如下图所示。)

图中的RS和RL分别指的是电路源端的电阻和负载上的电阻。其计算式分别如下:

如果电阻性的匹配电路对频率没有很强的敏感性,可应用到宽带上。但是电阻会消耗一部分信号功率,造成功率的效率值下降。其电抗性的匹配电路功率耗散值为零,通过设计对T型和Π型进行网络匹配,来匹配合适的网络宽带,从而使得上设计比较容易实现。

4.2 单电抗性元件匹配网络设计或是短截线匹配网络设计 在无损耗传输线路当中,ZL为其终端的阻抗,其反射系数的值表现为比较稳定。通过上文所论述的(2)式可知,从所观察的某一点在负载的位置移开时,在电路系统当中某一点的位置归一化输入阻抗的实部数值会变成1。此时在该位置的串联或者是并联的单一电抗性元件或者是某一段传输线的短截线可以将反射信号进行消除,并将该点之后的反射系数值变为0。(以下图为例来进行说明。)

根据阻抗公式可知,如果在dS处要进行适当的匹配,实部处的值就必须要为1。因此可以将dS的值给确定下来,并利用该处的串联电抗抵消输入阻抗的虚部。

4.3 双短截线的匹配网络 双短截线的电路匹配图如下所示:

负载的阻抗ZL发生转换之后,就转换成了L位置短截线的归一化导纳。通过上图我们可以看出j B1和j B2是明显的串联关系,两种不同的归一化电纳经过叠加以后形成的归一化电纳在电路传输过程中到达另外一个短截线的位置。该位置的网络匹配条件就是归一化电纳的数值必须是1。处于虚部位置和j B2的电纳因为存在共轨现象而相互抵消。

通过对上图进行观察可以知道,j B1是电路中第一条短截线的电纳,j B2是第二条短截线的电纳。通过点纳指则可以将短路线的长度计算出来。

λ/4阻抗变换器从理论的角度来说对于匹配纯电阻性的负载确实是有一定作用的。如果射频电路中的负载为复阻抗,通过这种方法则有可能无法进行匹配。此时阻抗变换器的接入点需要更换位置,将其接在电压波结点或者是电压波的腹点处来实现匹配的调节。这是因为在这两个点的位置处,其输入阻抗为出电阻。

5 结语

通过上文的论述可知,在射频通信系统中,如果要实现更好的匹配,必须要对阻抗匹配电路进行良好的设计,这将会影响到整个电路系统的传递效率,而且还影响到对传输功率的容量和电路的工作稳定性。此外,电路测量的精度误差、各电子元器件的使用寿命等也有着紧密的关系。这就要求电路或者是系统之间有着良好的阻抗匹配。射频电路在进行网络匹配设计的过程中,必须要时刻注意对负载的阻抗变化情况进行实时确认,并依据其负载的阻抗变化趋势来调整各参数的具体数值,实现射频信号和负载之间能够始终可以处于较好的阻抗匹配工作状态。