資料介紹
本文利用史密斯圓圖作為 RF 阻抗匹配的設計指南。文中給出了反射系數、阻抗和導納的作圖范例,并用作圖法設計了一個頻率為 60MHz 的匹配網絡。
實踐證明:史密斯圓圖仍然是計算傳輸線阻抗的基本工具。
在處理 RF 系統的實際應用問題時,總會遇到一些非常困難的工作,對各部分級聯電路的不同阻抗進行匹配就是其中之一。一般情況下,需要進行匹配的電路包括天線與低噪聲放大器 (LNA)之間的匹配、功率放大器輸出(RFOUT)與天線之間的匹配、LNA/VCO 輸出與混頻器輸入之間的匹配。匹配的目的是為了保證信號或能量有效地從“信號源”傳送到“負載”。
在高頻端,寄生元件(比如連線上的電感、板層之間的電容和導體的電阻)對匹配網絡具有明顯的、不可預知的影響。頻率在數十兆赫茲以上時,理論計算和仿真已經遠遠不能滿足要求,為了得到適當的最終結果,還必須考慮在實驗室中進行的 RF 測試、并進行適當調諧。需要用計算值確定電路的結構類型和相應的目標元件值。
有很多種阻抗匹配的方法,包括:
? 計算機仿真: 由于這類軟件是為不同功能設計的而不只是用于阻抗匹配,所以使用起來比較復雜。設計者必須熟悉用正確的格式輸入眾多的數據。設計人員還需要具有從大量的輸出結果中找到有用數據的技能。另外,除非計算機是專門為這個用途制造的,否則電路仿真軟件不可能預裝在計算機上。
? 手工計算: 這是一種極其繁瑣的方法,因為需要用到較長(“幾公里”)的計算公式、并且被處理的數據多為復數。
? 經驗: 只有在 RF 領域工作過多年的人才能使用這種方法??傊?,它只適合于資深的專家。
? 史密斯圓圖: 本文要重點討論的內容。
本文的主要目的是復習史密斯圓圖的結構和背景知識,并且總結它在實際中的應用方法。討論的主題包括參數的實際范例,比如找出匹配網絡元件的數值。當然,史密斯圓圖不僅能夠為我們找出最大功率傳輸的匹配網絡,還能幫助設計者優化噪聲系數,確定品質因數的影響以及進行穩定性分析。
基礎知識在介紹史密斯圓圖的使用之前,最好回顧一下 RF 環境下(大于 100MHz) IC 連線的電磁波傳播現象。這對 RS-485 傳輸線、PA 和天線之間的連接、LNA 和下變頻器/混頻器之間的連接等應用都是有效的。
大家都知道,要使信號源傳送到負載的功率最大,信號源阻抗必須等于負載的共軛阻抗,即: Rs + jXs = RL - jXL
在這個條件下,從信號源到負載傳輸的能量最大。另外,為有效傳輸功率,滿足這個條件可以避免能量從負載反射到信號源,尤其是在諸如視頻傳輸、RF 或微波網絡的高頻應用環境更是如此。
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