摘要： l型匹配電路（射頻工程師如何做匹配電路）RF工程師在設(shè)計(jì)芯片和天線間的阻抗匹配時(shí)是否也遇到過(guò)這樣的問(wèn)題，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，最后測(cè)試發(fā)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果和手冊(cè)的性能大相徑庭，你...

l型匹配電路（射頻工程師如何做匹配電路）

RF工程師在設(shè)計(jì)芯片和天線間的阻抗匹配時(shí)是否也遇到過(guò)這樣的問(wèn)題，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，最后測(cè)試發(fā)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果和手冊(cè)的性能大相徑庭，你是否考慮過(guò)為什么會(huì)出現(xiàn)這么大的差別？還有，匹配調(diào)試過(guò)程中不斷的嘗試不同的電容、電感，來(lái)回焊接元器件，這樣的調(diào)試方法我們還能改善嗎？

一、理想的匹配

通信系統(tǒng)的射頻前端一般都需要阻抗匹配來(lái)確保系統(tǒng)有效的接收和發(fā)射，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，國(guó)家對(duì)發(fā)射功率的大小有嚴(yán)格要求，如不高于+20dBm；若不能做到良好的匹配，就會(huì)影響系統(tǒng)的通信距離。

射頻前端最理想的情況就是源端、傳輸線和負(fù)載端都是50Ω，如圖1。但是這樣的情況一般不存在。即使電路在設(shè)計(jì)過(guò)程中仿真通過(guò)，板廠制作過(guò)程中，線寬、傳輸線與地平面間隙和板厚都會(huì)存在誤差，一般會(huì)預(yù)留焊盤(pán)調(diào)試使用。

圖1 理想的阻抗匹配

二、造成與芯片手冊(cè)推薦電路偏差大的原因？

從事RF電路設(shè)計(jì)的工程師都有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn)，做匹配電路時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)給的S參數(shù)、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元器件的取值進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后得到的結(jié)果和手冊(cè)上的差別很大。這是為什么呢？

其主要原因是對(duì)射頻電路來(lái)說(shuō)，“導(dǎo)線”不再是導(dǎo)線，而是具有特征阻抗。如圖2所示，射頻傳輸線看成由電阻、電容和電感構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)需要用分布參數(shù)理論進(jìn)行分析。

圖2 傳輸線模型

特征阻抗與信號(hào)線的線寬(w)、線厚(t)、介質(zhì)層厚度(h)和介質(zhì)常數(shù)(ε)有關(guān)。其計(jì)算公式如下:

由公式可以知道，特征阻抗和介質(zhì)層厚度成正比，可以理解為絕緣厚度越厚，信號(hào)穿過(guò)其和接地層形成回路所遇到的阻力越大，所以阻抗值越大；和介質(zhì)常數(shù)、線寬和線厚成反比。

因?yàn)樾酒膽?yīng)用場(chǎng)景不同，雖然電路設(shè)計(jì)一樣，但是設(shè)計(jì)的PCB受結(jié)構(gòu)尺寸、器件種類、擺放位置等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致板材、板厚、布線的不同，引起特征阻抗的變化。當(dāng)我們還是沿用手冊(cè)給的參數(shù)進(jìn)行匹配時(shí)，并不能做到良好阻抗匹配，自然會(huì)出現(xiàn)實(shí)際測(cè)試的結(jié)果與手冊(cè)給的結(jié)果偏差較大的情況。

雖然我們不能完全照搬芯片手冊(cè)電路的所有參數(shù)，但可以參考其中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如π型、T型或者L型等。那接下來(lái)我們應(yīng)該如何調(diào)試那些參數(shù)呢？

三、常規(guī)的調(diào)試方法

完成PCB設(shè)計(jì)之后，進(jìn)入調(diào)試過(guò)程，有的工程師對(duì)這個(gè)過(guò)程茫然失措，不知道該如何入手。有的工程師會(huì)回到數(shù)據(jù)手冊(cè)，把手冊(cè)提供的參數(shù)直接焊接到PCB上，通過(guò)頻譜儀觀察功率輸出，若不符合期望值；則調(diào)整其中的電容和電感，改大或者調(diào)小，然后焊回到PCB上，不斷的迭代，直到輸出值符合期望。

這種方法由于無(wú)法得知PCB板上分布參數(shù)的阻抗，只能不停的焊接更換參數(shù)調(diào)試，導(dǎo)致效率很低，而且并不適合調(diào)試接收鏈路的阻抗匹配。

四、是否有更有效的調(diào)試方法？

如果我們能知道PCB板上分布參數(shù)的阻抗，就可以通過(guò)史密斯圓圖進(jìn)行有據(jù)可循的阻抗匹配，減少無(wú)謂的參數(shù)嘗試。分布參數(shù)的阻抗有兩種方法可以獲得：第一，使用仿真軟件建模仿真，但是建立模型需要知道材料、尺寸、結(jié)構(gòu)等條件，其工作量不亞于直接調(diào)試；即使能建立模型，如何保證其準(zhǔn)確性也值得考究。第二，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)量，該方法直觀而且結(jié)果準(zhǔn)確。下面介紹如何通過(guò)網(wǎng)分直接得到特征阻抗。

下圖3是調(diào)試與匹配電路參考圖，由芯片模塊、射頻開(kāi)關(guān)和天線組成。把射頻開(kāi)關(guān)輸出端作為50 Ω參考點(diǎn)，此處接入網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)量傳輸線到天線的阻抗和傳輸線到芯片端口的阻抗。通過(guò)匹配之后，希望從該點(diǎn)往天線方向看進(jìn)去是50 Ω和往芯片方向看進(jìn)去也是50 Ω。選擇這里作為50 Ω參考點(diǎn)主要有兩方面考慮：第一，該處到天線端是接收和發(fā)射的共同鏈路，只需要匹配一次，同時(shí)把天線對(duì)阻抗的影響也考慮了；到芯片端分別是接收和發(fā)射鏈路，需要分開(kāi)匹配；第二，雖然匹配電路次數(shù)變多，但是每次匹配元器件數(shù)目少了，減少相互間影響，提高匹配效率。