射频电路中的阻抗匹配:信号旅行日志

从电信到有线电视，射频设备已经并将继续在现代生活中发挥重要作用。现在，随着一切都无线化，RF PCB设计师将有大量的工作让他们忙碌起来。但他们需要做的一件事是确保他们的射频信号在到达目的地的途中不会减弱，以免美妙的无线通信世界崩溃。

当涉及到射频设备，特别是无线设备中的天线时，阻抗匹配对于确保PCB按预期工作至关重要。但是随着这些关键的模拟信号出现了关键的问题:匹配阻抗的最佳方法是什么?为什么要匹配这些信号呢?

阻抗匹配与信号完整性

阻抗匹配是高速数字设计中经常讨论的重要任务之一。在这些器件中，如果负载和迹线没有相同的阻抗，沿互连传输的数字信号可以在负载上反射。对于数字信号，这可能会产生一种称为振铃的现象，其中无阻尼振荡似乎叠加在数字信号之上。

当阻抗失配很大时，振铃可能会非常严重，以至于它会短暂地导致信号电平下降到逻辑门的ON状态的阈值以下。出现这种无阻尼振荡是因为数字信号本质上是脉冲，以其自然无阻尼共振频率驱动轨迹。

对于模拟信号，情况有点不同，特别是对于射频信号。如果迹线的阻抗与互连中的负载不匹配，则信号反射会导致波从负载传播回源。传入的模拟波和反射的模拟波相互干扰。如果信号的频率刚刚好，信号轨迹中就会形成驻波。一个共振驱动的驻波将导致驻波积聚到一个高振幅，就像一个强烈辐射的天线。

由于射频设备仍然可以包含其他可能以不同频率运行的模拟设备，来自谐振迹的这种辐射可以创建EMI问题在附近的模拟电路中。如果您的设备中有数字电路，它们对这种类型的辐射有更好的免疫力。数字集成电路在饱和状态下运行，因此电路中感应的电压对输出信号的影响很小。然而，非常强的放大射频信号会在附近的数字迹线中引起较大的电压波动。使用放大的射频信号时，请注意无线设备的EMC指南。

只需一个设备，需要阻抗匹配的射频电路

射频阻抗匹配网络

为了防止这些问题，需要将源和负载之间的RF迹线匹配到50欧姆阻抗。值得注意的是，匹配50欧姆阻抗并没有什么本质上的特殊之处。虽然如果你花了足够多的时间在射频工程师身边，这个数字可能看起来很特殊，但这个值恰好是大多数射频系统/组件设计的阻抗。

那么，如何确保走线始终保持阻抗匹配呢?首先，你应该在你的图层堆栈中使用阻抗控制设计。这确保在信号层中路由的轨迹在特定的公差范围内具有定义的值。你只需要担心匹配源和负载元件的阻抗到这个值。换句话说，如果互连端某个组件的阻抗与信号跟踪的阻抗不同，则必须使用匹配网络来补偿该组件的阻抗不匹配。

最常见的阻抗匹配拓扑是l型网络。该网络使用一个电容器和电感器，两个电容器或两个电感器来调整负载或源的阻抗，以匹配50欧姆阻抗的迹线。这一点尤其重要天线为了防止插入/返回损失。

每个元件的精确排列取决于您是否想要将源(或负载)的阻抗向上、向下或向下拉，以匹配互连的其余部分。此外，由于每个元件的固有电抗，只能在特定频率进行阻抗匹配。无论是用平行共振来最大化或振荡信号，还是用共振的组合来选择性地过滤信号，记住它是有帮助的。

其中一个组件需要与迹线串联，另一个元件作为串联元件和源/负载之间的分流元件连接。返回线(对于差分对)反向传播。或者，如果组件也连接回地面，分流元件应该直接连接到地面，创建所需的返回路径．

适当的阻抗匹配射频电路是一件美丽的事情

计算所需组件的值是电路分析中的基本练习，尽管您当然可以使用SPICE模拟器。网上也有计算器可以帮助你。通常，电容器的值在pF范围内，而电感的值可以达到数百nH。一些有经验的设计师知道哪些元素需要先放置;然后他们计算出产生所需阻抗的第二个元素的值。

如果您使用的是双波段天线，情况就会变得有点棘手，因为您需要使用两个匹配的网络，每个波段一个。这同样适用于更高数量的频带。在这种情况下，一个频段的匹配网络将影响另一个频段的匹配。这种耦合使得同时完美匹配两个频段变得困难，大多数天线/射频设计人员迭代地确定匹配网络的最佳分量值。

SPICE模拟器找到的正确组件值使阻抗匹配更容易并有助于减少电路上的输入和输出损耗。与PSpice软件，您可以自动地找到包含所有寄生的任何过滤器的完美组件值的过程。这是通过PSpice软件的优化器该特性也可用于使阻抗匹配滤波器与负载的过程自动化。

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