黎 靜

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074；2.深圳市虹遠(yuǎn)通信有限責(zé)任公司廣東深圳518055）

隨著移動通信的快速發(fā)展，聲表濾波器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，由于系統(tǒng)應(yīng)用的深入，對聲表濾波器的性能也提出了更高的要求。然而，在實(shí)際的射頻電路應(yīng)用中，出于性能運(yùn)用的考慮，設(shè)計(jì)者通常將聲表濾波器設(shè)計(jì)成不同的形式，將聲表濾波器看作是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其對應(yīng)的輸入、輸出就是兩個(gè)端口，在實(shí)際電路中，聲表濾波器需要與外部電路進(jìn)行阻抗匹配，從而達(dá)到電路期望的性能。

1 聲表濾波器簡述

聲表濾波器全稱為聲表面波濾波器，英文縮寫為SAWF，其在通信領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。聲表面波濾波器是利用石英等具有壓電效應(yīng)特性的材料做成的。具有壓電效應(yīng)的晶體，在受到電信號的作用同時(shí)產(chǎn)生彈性形變而發(fā)出機(jī)械波（聲波），即可把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘?。由于這種聲波只在晶體表面?zhèn)鞑?，故將其稱為聲表面波。

聲表濾波器的主要特點(diǎn)是群延遲時(shí)間偏差和頻率選擇性優(yōu)良（可選頻率范圍較寬）、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、可靠性高、制作的器件體小量輕。聲表濾波器的特征和優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)備及便攜式電話輕薄短小化和高頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠等方面的要求[5]。其不足之處是所需基片材料的價(jià)格昂貴，對基片的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高。聲表濾波器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在小型片式化，高頻、寬帶化，降低插入損耗等方面[4]。近年來國外已將聲表濾波器片式化，重量能低至0.2 g；另外，由于采用了新的晶體材料和最新的精細(xì)加工技術(shù)，使聲表濾波器的使用上限頻率提高到2.5～3 GHz。由于移動通信系統(tǒng)的發(fā)射端（TX）和接收端（RX）必須經(jīng)過濾波器濾波后才能發(fā)揮作用，其工作頻段一般在800 MHz～3 GHz、帶寬相對較窄（一般不超過30 MHz），聲表濾波器符合低插損、高阻帶抑制和高鏡像衰減、承受功率大、低成本、小型化等特點(diǎn)，因此其在通信行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景[16]。

2 阻抗匹配簡述

阻抗匹配的概念是射頻電路設(shè)計(jì)中最為基本的概念之一，貫穿射頻電路設(shè)計(jì)的始終，其是信號源和負(fù)載之間一個(gè)重要的過渡電路，其決定著系統(tǒng)的性能，可使系統(tǒng)性能達(dá)到約定準(zhǔn)則下的最優(yōu)[1-3]。如果信號傳輸中電路之間未能達(dá)到阻抗匹配，其輸出功率既不能全部送到負(fù)載上，而且信號還會產(chǎn)生失真，甚至造成電路元器件的損壞。尤其在射頻通信電路中，經(jīng)電路傳輸?shù)哪芰靠赡軙瓷浠貋?，產(chǎn)生駐波，嚴(yán)重時(shí)會引起饋線的絕緣層以及發(fā)射機(jī)末級功放管的損壞。隨著射頻與微波技術(shù)的發(fā)展，傳輸電路的阻抗匹配是一項(xiàng)非常重要的工程技術(shù)指標(biāo)[6，8，11]。阻抗匹配的主要思想就是設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)阻抗變換，其簡圖如圖1所示。

圖1 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)簡圖

阻抗匹配的通常做法是在源和負(fù)載之間插入一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載阻抗與源阻抗共軛匹配，該網(wǎng)絡(luò)也被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)。阻抗匹配的主要作用通常有以下幾點(diǎn)：從源到器件、從器件到負(fù)載或器件之間功率傳輸最大；提高接收機(jī)靈敏度（如LNA前級匹配）；減小功率分配網(wǎng)絡(luò)幅相不平衡度；獲得放大器理想的增益、輸出功率（PA輸出匹配）、效率和動態(tài)范圍；減小饋線中的功率損耗。

3 聲表濾波器阻抗匹配的方法

3.1 通用型阻抗匹配方法

為了使聲表面波濾波器在電路中獲得較好的性能，需要對其輸出、輸入端口與外部電路進(jìn)行阻抗匹配。結(jié)合阻抗匹配的相關(guān)知識，將聲表阻抗匹配簡圖概括如圖2所示。

其中，PORT1表示源或負(fù)載的阻抗，PORT2分別表示聲表濾波器輸入或輸出的阻抗。在實(shí)際電路中，通常存在兩種接入方式，分別是串-并連接和并-串連接方式。

圖2 聲表阻抗變換簡圖

3.1.1 串-并連接方式

圖3即串-并阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)簡圖，根據(jù)上述的兩端口輸入輸出的阻抗值，結(jié)合阻抗匹配（共軛匹配）的條件，運(yùn)用Z參數(shù)分析方法，可得到一個(gè)二元方程，其中特征因數(shù)表達(dá)式如式（1）：

通常情況下，若Dps≥0，則存在這樣的匹配網(wǎng)絡(luò)滿足電路要求，否則，匹配網(wǎng)絡(luò)不存在。

圖3 串-并連接方式阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合這個(gè)特征因數(shù)表達(dá)式，就可以計(jì)算出鏈路中使用元器件的相關(guān)參數(shù)。若Dps＞0時(shí)，就有兩種不同的串并連接方式（若Dps=0，則只有一種連接方式）。根據(jù)特征因數(shù)和輸入、輸出阻抗得出如下兩組解。

根據(jù)上式（2）、式（3）中各值的大小及對于給定聲表面濾波器的頻率，可得出相關(guān)感容值如式（4）及式（5）。

3.1.2 并-串連接方式

圖4即并-串連接方式阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)簡圖。與串-并連接方式類似地分析，其特征因子表達(dá)式如下：

若Dps＞0時(shí)，就有兩種不同的串并連接方式（若Dps=0，則只有一種連接方式）。根據(jù)特征因數(shù)和輸入、輸出阻抗得出如下兩組解。

圖4 并-串連接方式阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

同樣地，根據(jù)式（7）、式（8）中各值的大小及對于給定聲表面濾波器的頻率，可得出相關(guān)感容值如式（9）、及式（10）。

對于上述兩種比較常用的方法，現(xiàn)在選用前一種方法，利用ADS仿真來進(jìn)行驗(yàn)證。聲表濾波器的輸入阻抗為120Ω，中心頻率972 MHz，帶寬50 MHz，使用ADS仿真電路圖如圖5所示。外部射頻電路為標(biāo)準(zhǔn)50Ω。匹配電路采用串-并連接方式，易得：

圖5 ADS仿真電路圖

串聯(lián)電感為9.8 nH（實(shí)際運(yùn)用過程中選用10 nH），并聯(lián)電容為1.6 pF。

仿真結(jié)果如圖6所示，據(jù)圖中S11，S21曲線可知，該配方式插損小，回?fù)p抑制好，滿足匹配要求。

3.2 平衡-不平衡阻抗匹配

3.2.1 單端與雙端之間的等效阻抗匹配

在一些電路中，端阻抗的輸入與輸出均為單端不平衡的形式，對于其給定的一個(gè)阻抗匹配，可以轉(zhuǎn)化成雙端平衡的形式，圖7給出了4種簡單連接方式的匹配元件的具體值。通常在該情況下，源端與負(fù)載端的阻抗值相同。

圖6 ADS仿真結(jié)果圖

圖7 單端不平衡和雙端平衡間的等效轉(zhuǎn)換圖

3.2.2 單端-雙端混合連接的不等阻抗匹配

雙端輸入或是輸出方式即為差分的方式，其具有高增益、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗電源噪聲、抗地噪聲能力強(qiáng)、抑制偶次諧波等優(yōu)點(diǎn)。目前這種接入方式也越來越多的用在了各種射頻電路中。所以單端-雙端混合接入方式的阻抗匹配也顯得有的放矢了。圖8是一種使用電容和電感連接的類似與電橋結(jié)構(gòu)的一種平衡轉(zhuǎn)不平衡的阻抗匹配簡圖。

圖8 一種平衡轉(zhuǎn)不平衡的阻抗匹配簡圖

根據(jù)輸入端與輸出端的阻抗值，結(jié)合匹配條件，將兩個(gè)接地點(diǎn)當(dāng)做電路中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用Z參數(shù)分析（PORT1阻抗Ri，PORT2阻抗R）l，可以得到相關(guān)感容器件的具體值如式（11）。

圖9是運(yùn)用ADS仿真軟件對該類方法做出的仿真分析圖，其中濾波器輸入端的阻抗為150 Ω，中心頻率為1.95 GHz，帶寬60 MHz，外部電路的阻抗為50 Ω，由上述方法易得其匹配電路中電容值約為1 pF，電感值約為6.4 nH。

圖9 ADS仿真電路圖

仿真結(jié)果如圖10，據(jù)圖中S11，S21曲線可知，該匹配方式插損小，整個(gè)S11較平滑，整體回?fù)p抑制較小，滿足匹配要求[7]。

圖10 ADS仿真結(jié)果圖

當(dāng)然，目前巴倫也廣泛的用于平衡裝不平衡的阻抗匹配中，可根據(jù)源端和負(fù)載的阻抗比來選擇相應(yīng)的巴倫，轉(zhuǎn)化成雙端口之后，在借鑒3.1節(jié)中的方法即可完成相應(yīng)的阻抗匹配[13-14]。

4 結(jié)束語

由于目前聲表濾波器被廣泛的用于各種通信電路中，本文旨在提供一些常用鏈路中聲表濾波器的阻抗匹配方法，從而使聲表面濾波器能最大的發(fā)揮其在鏈路中的作用，涉及到了一些實(shí)際應(yīng)用電路中的接入方法，當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用過程中，還應(yīng)注意所使用PCB基板的材料和線路布局等因素。

[1]王家禮，郝延紅，孫璐.微波有源電路理論分析及設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[2]趙建勛，陸曼如，鄧軍.射頻電路基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[3]陳光夢.高頻電路基礎(chǔ)[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2011.

[4]彭沛夫.微波技術(shù)與實(shí)驗(yàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[5]李莉，賈海瀛，李新.切比雪夫低通濾波器型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010（23）：51-52.

[6]楊建玲，雷愛紅.聲表面波濾波器的阻抗匹配[J].聲學(xué)技術(shù)，2009（4）：156-158.

[7]徐興福.ADS2011射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2014.

[8]雷愛紅.聲表濾波器在應(yīng)用電路中的匹配[J].聲學(xué)技術(shù)，2010（29）：435-437.

[9]何蘇勤，白天石.射頻電路的ADS仿真與設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2011（41）：479-482.

[10]汶迎春.阻抗匹配電路在濾波器測試中的應(yīng)用[J].電子?電路，2012（25）：89-93.

[11]寧寧，燕慧英，姚望.射頻匹配電路設(shè)計(jì)方法討論[J].洛陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（29）：35-37.

[12]楊樹眾.聲表面波器件的模擬與仿真[D].天津：天津理工大學(xué)，2012.

[13]張桂東.阻抗匹配機(jī)理及Z阻抗網(wǎng)絡(luò)變換器構(gòu)造[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[14]田亞朋，張昌民，仲維偉.阻抗匹配電路原理與應(yīng)用[J].電子?電路，2012（25）：5-7.

[15]Campbell，Colin.Surface acoustic wave device for mobile and wireless communications[M].San Diego:Academic Press，1998.

[16]Ludwig R，Bretchko P.RF circuit design theory and applications[M].北京:科學(xué)出版社，2002.