射頻電路的基礎知識介紹

射頻布局和天線調諧需要了解射頻特定的概念，并且需要比傳統電路布局更多的關注。本節介紹 RF 設計、傳輸線路和特性阻抗的基礎知識。

需要理解以下概念和術語來設計有效的 RF 布局。

? 傳輸線

? 特性阻抗

? 回波損耗

? 介入損耗

? 阻抗匹配

影響射頻設計與模擬設計相關的關鍵因素是射頻電路的阻抗。在低頻時，負載阻抗在距離負載走線不同距離處測量時保持不變。對于大多數應用，也不依賴于跡線寬度或其均勻性。因此，跡線僅表示為低頻節點。但在高頻時，RF 電路的阻抗 （Z） 會在距負載不同距離處測量時發生變化。這種變化還取決于所使用的基底和射頻跡線的尺寸。因此，跡線也成為 RF 原理圖中的設計元素。

傳輸線是通過定義的路徑傳輸電磁能量的媒介。同軸電纜，波導以及 RF 引腳和天線之間的 RF 走線都是傳輸線。大多數射頻跡線是諸如微帶線和共面波導之類的傳輸線。

傳輸的關鍵特性是它的特征阻抗 （Z0），它是通過無損傳輸線傳播的波的電壓和電流的振幅比。對于頻率為 2.45 GHz 的應用，例如 BLE，50Ω特性阻抗廣泛用于射頻跡線。

傳輸線路的等效模型

即使 Z0 是一個實數，它也不是 RF 走線的電阻。理想的傳輸由于其特性阻抗不消耗能量或具有任何損耗。傳輸線的等效模型如上圖所示。它是表示傳輸線分布式串聯電感與分布式并聯電容之比的屬性。

其中 L 和 C 分別是沿傳輸線任意長度的分布電感和分布電容。

特性阻抗 （Z0） 取決于 PCB 材料，基底厚度，跡線寬度，跡線厚度以及 RF 跡線和接地填充物之間的間隙。這些參數在傳統的布局和設計中經常被忽略，但它們在射頻設計中扮演著重要的角色。

阻抗測量設置的表示

上圖描述了測量 RF 電路阻抗的典型測量設置。射頻走線上給定點的阻抗與走線的特征阻抗，與負載的距離和負載阻抗有關;計算方式如下面的等式：

其中 Z 是在距離負載的距離為 l 處測得的阻抗，ZL是在負載 （l = 0） 處測得的阻抗，Z0是傳輸線的特性阻抗，β是相位常數。J 是阻抗的反應部分。

讓我們來看看阻抗在特定情況下如何變化。

當在負載下測量時，l = 0，所以 Z 等于 ZL.

當 ZL = 0 和 l = λ/4 時， Z = ∞。

當 ZL = ∞ 和 l = λ/4 時， Z = 0

因此，在四分之一波長 （λ/ 4） 的距離處測量時，即使是短路，也可視為開路，反之亦然。在傳統的電路設計中，走線長度從不接近λ/ 4，所以沒有看到過這種操作。

當 ZL= Z0時，對于任何值 l，Z = Z0。

因此，當負載阻抗 （ZL） 等于特性阻抗 （Z0） 時，測量到的阻抗 （Z） 在距離負載的任意距離 （l） 處測量時都保持等于 Z0。出于這個原因，在將 RF 跡線傳送到其他設備之前，使用匹配網絡將任何 RF 設備的阻抗變換為 Z0是常見的做法。

匹配網絡是用于將任何給定阻抗轉換 （通常） 為 RF 跡線的特征阻抗的無源電路。為了確保通過 RF 電路從源到負載的最大功率傳輸，源阻抗和負載阻抗應該匹配。

由于電路的阻抗隨與電路的距離而變化，所以用于阻抗匹配的元件的放置也取決于距被匹配電路的距離。即使射頻跡線上的小短截線可用作電容器或電感器，也可以改變阻抗。有關小短截線的示例，請參閱下圖。

短截線示例

長度小于λ/ 4 的開路短截線等效于電容器，長度小于λ/ 4 的短路短截線相當于電感器。因此，短截線可以用于射頻頻率窄帶應用的組件。但是，除非有意設計，射頻跡線中的短截線或分支會影響阻抗匹配，導致射頻性能較低。

在 RF 電路中源負載和傳輸線展示

匹配網絡的有效性通過使用參數回波損耗和插入損耗來測量。

上圖顯示了一個典型的射頻電路，其中一個射頻源發射射頻功率，一個負載承擔大部分射頻功率并反射一些射頻功率?；夭〒p耗是入射功率與反射功率之比。插入損耗指示在到達下一階段之前通過電路損失的功率的部分。

在一個理想的匹配網絡中，所有的功率都轉移到下一個階段，沒有功率被反射。這會導致零插入損耗和無限回波損耗。在實際電路中，所需的回波損耗可能在 6 dB 到 30 dB 之間，具體取決于應用和使用情況。在匹配網絡中，回波損耗轉化為插入損耗，如下表所示。

回波損耗與插入損耗