射频&天线设计-窄带阻抗匹配电路设计

Posted 2022-02-02 madmanazo

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一、天线带宽的概念

带宽：带宽是对于通信或数据信号占用的频谱空间量的度量。

天线上表示天线工作频率变化时，天线电参数在变化的程度在允许的范围内，此时所对应的频率范围称为带宽。

通常表示为信号幅度相对于中心频率处的幅度标称下降3dB处的频率之间的差值，即3dB带宽。这些频率点代表幅度对频率函数的半功率点。

此外还有必要带宽，即指有效传输和接收通信或数据信号通常所需的最小频谱空间。

定义天线的最高工作频率为fh，最低工作频率为fl，中心频率为fc，则：

绝对带宽：（满足天线电参数要求的）最高频率-最低频率。

相对带宽：（最高频率-最低频率）/（天线工作的）中心频率。

倍频带宽：最高频率/最低频率。

根据带宽的不同，可以把天线分为窄带天线、宽带天线和超宽带天线。窄带与宽带的定义是相对的，没有明显的划分。

FCC在定义UWB时将NB、WB、UWB做了简单的划分可作参考：

上表可以看出，一般相对带宽≤1%的称为窄带天线，同时参考很多文献的不同定义，我们通常认为：

相对带宽＜10%的称为窄带天线，10%~25%的称为宽带天线，大于25%的称为超宽带天线。

二、匹配电路的概念

关于阻抗匹配的知识请查阅《射频&天线设计-阻抗匹配》。

阻抗匹配电路的主要作用是实现阻抗变换，目标是要把源阻抗变换到设计要求的阻抗点上：

• 天线设计：把源阻抗变换到50Ω阻抗上；
• 最大功率传输：把源阻抗变换到负载阻抗的共轭阻抗上。

窄带匹配电路设计时，一般只需满足在中心频点处实现阻抗匹配即可，并且窄带匹配电路的匹配元件个数一般≤3个，匹配电路通常为L型、π型或T型。

三、L型匹配电路

匹配电路设计时串并联L、C元件在Smith圆图中的变化规律请查阅《射频&天线设计-Smith圆图》：

L型匹配电路有8种（SCPL、SCPC、SLPC、SLPL、PCSL、PCSC、PLSC、PLSL）拓扑结构：

为了便于观察8种拓扑结构在Smith里面的变化轨迹，使用Smith圆图分别标记（方法可参见《射频&天线设计-Smith应用实例》）源阻抗点Zs=25±j43，我们的目标是将Zs变换到Z0=50Ω处：

经过实验，我们可以看出实现同一个匹配网络结果最多有四种拓扑方式：

但不同的拓扑结构的频响特性（低通、高通、带通）会有差异，工程师需要根据实际设计去选择合适的结构；如PCSL为低通网络，SCPL为高通网络，SCPC为带通网络。

四、Π型匹配电路

L型匹配电路只有两个元件，而Π型匹配电路有3个元件。Π型匹配电路的8中拓扑结构如下：

在选定电路拓扑结构之后要达到要求的阻抗匹配，L型匹配电路元件值是固定的，因此设计的灵活性不足。而π型匹配电路实现同一个阻抗匹配网络可以灵活选择电路元件值：

此外选择适当的π型匹配电路可以有效增加天线带宽，具体证明实例在后面的文章可以实际看到。

五、T型匹配电路

T型匹配电路和Π型匹配电路类似，只不过是“T”字型形状所以叫T型，适用性需要根据具体电路而定：

六、匹配电路设计总结

匹配电路的元件值的选取要参考《射频&天线设计-阻抗匹配》。

窄带匹配电路设计时，一般只需满足在中心频点处实现阻抗匹配即可，并且窄带匹配电路的匹配元件个数一般≤3个，匹配电路通常为L型、π型或T型。

设计天线匹配电路之初就需要预留好π型匹配电路，便于天线前期与后期的调试优化。

对于天线匹配电路设计，主要考虑带宽因素。

对于射频电路或器件的匹配电路设计，除了考虑带宽因素外，还要考虑选择的拓扑结构是否可以兼做电路隔直电容和射频扼流圈。

对于物联网模组，如在家电上的应用；通常都是设计成一个个小模块方便后期应用到各种产品上。

这样做的好处是标准化程度高，且可以规避频繁做SRRC、FCC等认证的时间、费用与风险，使新产品快速上市。

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