【RFsister線上課堂】天線設(shè)計入門系列 第六章―阻抗匹配

1、【RFsister 線上課堂】天線設(shè)計入門系列六阻抗匹配小天線的工作環(huán)境往往很惡劣,當(dāng)環(huán)境變化時,反射到天線中的電抗成分也隨之變化,從而引起天線 的失諧、失配,因此在小天線設(shè)計中要考慮選擇合適的匹配電路,進(jìn)行阻抗匹配。什么是阻抗匹配?在天線的調(diào)試中,我們經(jīng)常聽到阻抗匹配這個名詞,但是它到底是什么,在實(shí)際中是怎么運(yùn)用的?希 望通過這節(jié)的講解,能讓大家有個了解。阻抗匹配在高頻設(shè)計中是一個常用的概念,是微波電子學(xué)里的一部分,主要用于傳輸線上,來達(dá)到所 有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的,不會有信號反射回來源點(diǎn),從而提升能源效益。阻抗=電阻+電抗阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世

2、界中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻, 世界上所有的物質(zhì)都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會阻礙電流 以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容、電感的電 抗分別稱作電容抗和電感抗,簡稱容抗和感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆,其值的大小和交流電 的頻率有關(guān)系。感抗:XL=L=2fL當(dāng)=0時,XL=0;電感的作用:“通直流、阻交流”或者“通低頻,阻高頻”容抗:Xc=1/C=1/(2fC當(dāng)=0時,XL=;電容的作用:“通交流、阻直流”或者“通高頻,阻低頻”頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和

3、電感抗還有相位角度的問題,具有向量上的關(guān)系式,因此才會說:阻抗是電阻與電抗在 向量上的和。阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特 性的電路,匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中,當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時,則輸出功率為最大, 這種工作狀態(tài)稱為匹配,否則稱為失配;當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成分時,為使負(fù)載得到最大 功率,負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系,即電阻成分相等,電抗成分只數(shù)值相等而符號相反。這種匹配 條件稱為共扼匹配。阻抗匹配有兩種,一種是透過改變阻抗力(lumped-circuit matching ,另一種則是調(diào)整傳輸線的波長 (t

4、ransmission line matching 。 高速 PCB 布線時,為了防止信號的反射,要求是線路的阻抗為 50歐姆。 這是個大約的數(shù)字,一般規(guī)定同軸電纜基帶 50歐姆,頻帶 75歐姆,對絞線則為 100歐姆,只是取個整而 已,為了匹配方便。【補(bǔ)充:經(jīng)常有人問電小天線的阻抗為什么是 50?這是因?yàn)?當(dāng)同軸線中填充空氣時,耐壓最大時的 z=60當(dāng)同軸線中填充空氣時,傳輸功率最大時 z=30當(dāng)同軸線中填充空氣時,衰減最小時 z=76.7】什么是史密斯圓圖(Smith Chat ?該圖表是由菲利普·史密斯(PhillipSmith于 1939年發(fā)明的(但是有名日本工程師聲稱早于其

5、一年 發(fā)明了這種圖表。它是在反射系散平面上標(biāo)繪有歸一化輸入阻抗(或?qū)Ъ{等值圓族的計算圖。是一款 用于電機(jī)與電子工程學(xué)的圖表,主要用于傳輸線的阻抗匹配上。該圖由三個圓系構(gòu)成,用以在傳輸線和某 些波導(dǎo)問題中利用圖解法求解, 以避免繁瑣的運(yùn)算。 一條傳輸線(transmission line 的電阻抗力(impedance 會隨其長度而改變,要設(shè)計一套匹配(matching 的線路,需要通過不少繁復(fù)的計算程序,史密夫圖表的特點(diǎn)便是省略一些計算程序。目前有很多種阻抗匹配的方法,包括:計算機(jī)仿真:由于這類軟件是為不同功能設(shè)計的而不只是用于阻抗匹配, 所以使用起來比較復(fù)雜。 設(shè) 計者必須熟悉用正確的格式輸

6、入眾多的數(shù)據(jù)。設(shè)計人員還需要具有從大量的輸出結(jié)果中找到有用數(shù)據(jù)的技 能。另外,除非計算機(jī)是專門為這個用途制造的,否則電路仿真軟件不可能預(yù)裝在計算機(jī)上。手工計算:這是一種極其繁瑣的方法,因?yàn)樾枰玫捷^長(“幾公里”的計算公式、并且被處理的數(shù) 據(jù)多為復(fù)數(shù)。經(jīng)驗(yàn):只有在 RF 領(lǐng)域工作過多年的人才能使用這種方法。總之,它只適合于資深的專家。因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)介紹使用,所以關(guān)于原理方面在這不做詳述,有興趣的同學(xué)可以自行學(xué)習(xí)。Smith 圖上 可以反映出如下信息:阻抗參數(shù) Z,導(dǎo)納參數(shù) Y,品質(zhì)因子Q,反射系數(shù),駐波系數(shù),Snn 散射參數(shù),噪聲 系數(shù),增益,穩(wěn)定因子,功率,效率,頻率信息等抗、駐波比、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。先來了解下,Smith 的 一些特征必須牢記的知識: 三點(diǎn):開路點(diǎn)、短路點(diǎn)、匹配點(diǎn)半圓:上感下容左并右串圓圈旋轉(zhuǎn)一周:0.5 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試電小天線的匹配調(diào)試,在實(shí)際操作時要注意哪些細(xì)節(jié)呢? 1.相位的校準(zhǔn)。在制作治具時,我們會引入一段同軸線,在調(diào)試時,就需要把這段線長校準(zhǔn)到系統(tǒng)里面去, 避免線長帶來的相位誤差。2.我們希望反射系數(shù)的絕對值小于 1/3(