射频&天线设计-阻抗匹配

Posted 2021-07-16 madmanazo

《射频&天线设计-阻抗匹配》

阻抗匹配是什么？

阻抗是电阻与电抗在向量上的和，阻抗匹配是信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系；这种关系是为了实现负载阻抗和信源内阻抗之间的传输不发生反射或者反射极小，没有反射表明所有能量都被负载吸收了，实现了最大功率传输，反之则在传输过程中有能量损耗；为了实现上述目的，要求负载阻抗和传输线的特征阻抗相等

匹配条件是什么？

1. 负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输
2. 负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。这时在负载阻抗上可以得到最大功率。这种匹配条件称为共轭匹配。如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件是等同的；当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系

为什么做50Ω阻抗匹配？

匹配电路分为最耐压的匹配（60Ω），功率传输最大的匹配（35Ω），损耗最小的匹配（75Ω）；这是因为最早同轴线在35Ω左右能承载功率最大，在60Ω左右能实现最耐压的匹配，在75Ω左右功率损耗最小，做个折中之后取50Ω作为天线传输线阻抗匹配值；75Ω由于损耗小，多用于远距离传输

PCB走线什么时候需要做阻抗匹配？

看信号的边沿陡峭程度，信号的上升/下降时间（按10%～90%计）小于6倍导线延时，就是高速信号，必须注意阻抗匹配的问题。导线延时一般取值为150ps/inch。特征阻抗与PCB导线所在的板层、PCB所用的材质（介电常数）、走线宽度、导线与平面的距离等因素有关，与走线长度无关（muRata)

匹配电路中的L、C元件

匹配电路一般采用电容、电感、微带线，消费类电子一般采用集总L、C元件，雷达等一般采用微带线。设计匹配电路的目的是要把源端的信号功率最大限度传输到负载端，所以设计匹配电路不能引入像电阻这样的有耗元件，只能使用L、C等理论无耗原件，不仅如此，匹配电路要求所使用的L、C元件只能是高频电感、高频电容元件；这是因为寄生参数的存在导致实际使用的L、C元件都不会是理想元件，随着工作频率的逐渐增大，L、C的特性会逐渐变差

高频L、C模型和频率响应

高频电感模型和频率响应

高频电容模型和频率响应

高频电感选取原则

高Q值、高SRF、低DCR、高精度、通用感值

1. 自谐振频率(SRF)：感值越小，自谐振频率越高，一般选取的电感的自谐振频率要大于实际工作频率的两倍，实际用10nH以下
2. 直流电阻(DCR)：匹配不希望引入损耗，所以选择寄生电阻小的电感
3. 精度：精度选择越高越好，否则在大批量生产时设计容差性能不好
4. 高频性能：线绕电感 > 薄膜电感 > 叠层电感
5. 品牌推荐：Murata LQG系列、CoilCraft 0402HP系列、Samsung、顺络电子等
6. Q值：Q=X/R，Q值越高，L、C的性能就越接近于理想的无损元件;高Q值意味着损耗低，注意Q值得测量是针对特定频率测量的
7. 通用感值：电感值最好选择常用的标准值电感，电感值既不能过大也不能过小，过大的电感自谐振频率和Q值低，过小的电感值精度不高

高频电容选取原则

高Q值、高SRF、低ESR、高精度、通用容值
选择类似于高频电感的性能参数还需要注意温度特性：

1. 温度特性：C0G、U2J、X7R、X5R、Y5V；高频应用要选择C0G
   
2. 品牌推荐：Murata、JohansonTechnology等

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