李華鴻 周 易 劉梅芳

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1 引言

由于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的提升,傳統(tǒng)下電子通信系統(tǒng)的工作頻率范圍已經(jīng)無法滿足其工作需要,頻率工作范圍必須要不斷擴(kuò)大,目前已經(jīng)達(dá)到了GHz的頻段,并且還在不斷向更高的頻段延伸。射頻電路系統(tǒng)運(yùn)行過程中的工作頻率和信號(hào)的傳輸方式均對(duì)傳輸過程中的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生直接的影響,所以實(shí)現(xiàn)電流功率的高效率傳輸,將有助于負(fù)載阻抗和電源阻抗之間取得更好的匹配,對(duì)傳輸時(shí)信號(hào)能量的損耗最小。因此必須做好網(wǎng)絡(luò)的匹配設(shè)計(jì)。

2 傳輸線工作原理及其狀態(tài)

在射頻通信系統(tǒng)的傳輸中,它具有頻率高、波長短的特點(diǎn)。如果傳輸信號(hào)中長線傳輸?shù)膸缀伍L度要比信號(hào)波長還要長,這就和傳輸線理論有一定的關(guān)系。該理論是一種分布參數(shù)的理論,對(duì)其分析時(shí),可以把整個(gè)傳輸線看成是多個(gè)等效的、且長度要比傳輸信號(hào)波長的微元還短的信號(hào)。如下圖是一個(gè)等效電路圖,在圖中,R是電路的阻抗,L是電路的電感、G 是電路的電導(dǎo),C是電路的電容。

在傳輸線路當(dāng)中,入射波電壓和入射波電流之間的比值,就叫做特性阻抗,人們通常使用Z0來表示。其公式表達(dá)形式為:

在傳輸線路當(dāng)中,任意一點(diǎn)的輸入阻抗均和該點(diǎn)位置的電壓值和電流值的比值都是處在一個(gè)相等的關(guān)系狀態(tài),其公式表達(dá)形式為:

在上式子中,V(z)表示該點(diǎn)位置的電壓值,I(z)表示該點(diǎn)位置的電流值,z表示距離負(fù)載的長度,β=2Π/λ。

在傳輸線路當(dāng)中,某位置反射相量的電壓和入射相量的電壓比值就是反射系數(shù),其公式為:

上面的等式當(dāng)中,字母γ代表線路中的傳播常數(shù)。

通過上述的(2)和(3)式子可知,傳輸線上的電壓值、電流和阻抗的分布與傳輸線負(fù)載大小有著直接的關(guān)系,同時(shí)傳輸線上負(fù)載的大小也直接影響到了傳輸線在工作時(shí)是否能處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

在傳輸線中,當(dāng)負(fù)載和傳輸線特性的阻抗值一致時(shí),即ZL=Z0,通過上述(3)式可知,沒有反射現(xiàn)象的發(fā)生,而在傳輸線中也只會(huì)有行波存在。如果負(fù)載中有短路、開路或者是純電抗等各種狀態(tài)出現(xiàn)時(shí),對(duì)應(yīng)的終端反射系數(shù)值就會(huì)接近1,此時(shí)傳輸線中將不能進(jìn)行能量的傳遞,輸入信號(hào)通過傳輸線線的傳遞,到達(dá)終端后能量也無法被全部吸收,剩余的那部分信號(hào)則會(huì)沿著傳輸線反彈回去,這樣就相當(dāng)于在傳輸線中有兩個(gè)信號(hào),一個(gè)是入射波,一個(gè)是反射波,并且他們的振幅產(chǎn)生疊加,此時(shí)稱為駐波工作狀態(tài)。如果在終端出現(xiàn)了短路或者是開路,此時(shí)輸入的阻抗稱為純電抗。在電路圖中可以使用一個(gè)合適長度的短路線或者是開路線來表示,它有助于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的匹配。

3 傳輸線阻抗匹配的形式

傳輸線的作用是在電路中傳遞功率和各種信號(hào)信息。只有當(dāng)電路系統(tǒng)中的負(fù)載部件和傳輸線之間 真正得到了妥當(dāng)?shù)钠ヅ?才會(huì)使得傳輸線反射系數(shù)值接近零。目前使用到的阻抗匹配一般有三種形式,其分別定義如下:

波源阻抗匹配:信號(hào)源的內(nèi)阻數(shù)值和傳輸線的特性阻抗數(shù)值處于相等狀態(tài),也就是Zs=Z0。信號(hào)源屬于匹配源的類型。當(dāng)電路中出現(xiàn)不匹配的現(xiàn)象時(shí),信號(hào)源內(nèi)阻會(huì)將由于負(fù)載引起的反射波全部吸收掉,并且不會(huì)造成二次反射現(xiàn)象。在這個(gè)狀態(tài)下,呈現(xiàn)出來的特點(diǎn)是從匹配源輸出來的入射波不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而發(fā)生改變,它的好處在于可以提高測(cè)量的精度。

負(fù)載阻抗匹配:即負(fù)載的阻抗與電路系統(tǒng)中特性阻抗的數(shù)值是一樣的,也就是ZL=Z0。如果早電路系統(tǒng)運(yùn)行中的傳輸線是行波的時(shí)候,負(fù)載反射系數(shù)值就為零,此時(shí)將全部的入射功率完全吸收,傳輸功率的效率值就會(huì)在最高的位置。在這個(gè)狀態(tài)下,呈現(xiàn)出來的特點(diǎn)是在傳輸線的任意位置,輸入阻抗都是純電阻的特性,其值不會(huì)隨著頻率的變化而發(fā)生變化。

共軛阻抗匹配:負(fù)載的阻抗表現(xiàn)為不匹配,這個(gè)時(shí)候Zi=Zs,當(dāng)在電路系統(tǒng)當(dāng)中的某個(gè)位置處輸入阻抗和信號(hào)源內(nèi)阻互為共軛阻抗的關(guān)系時(shí),相當(dāng)于共軛阻抗已經(jīng)完成了匹配.在該種狀態(tài)下,由于傳輸效率的提升,從信號(hào)源輸出來的功率值達(dá)到了最大的狀態(tài)。

為了保證射頻電路的匹配性,這三種匹配狀態(tài)同時(shí)出現(xiàn)是比較理想的狀態(tài)。但是實(shí)際上比較難以實(shí)現(xiàn)。為了保證實(shí)際射頻電路的傳輸效率提升,要結(jié)合它的特點(diǎn),通過使用最重要的阻抗匹配達(dá)到負(fù)載阻抗的匹配目的。

4 阻抗匹配的方法

4.1 集電路系統(tǒng)中總參數(shù)元件的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法 如果射頻電路屬于低頻電路,可以通過分立元件來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)匹配的目的。分立元件常見的形式有三元件T型或者是Π型的匹配網(wǎng)絡(luò)、雙元件L型匹配網(wǎng)絡(luò)。雙元件L型的匹配網(wǎng)絡(luò)中又可以分為電阻性的L型網(wǎng)絡(luò)匹配和有電抗性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)匹配。(如下圖所示。)

圖中的RS和RL分別指的是電路源端的電阻和負(fù)載上的電阻。其計(jì)算式分別如下:

如果電阻性的匹配電路對(duì)頻率沒有很強(qiáng)的敏感性,可應(yīng)用到寬帶上。但是電阻會(huì)消耗一部分信號(hào)功率,造成功率的效率值下降。其電抗性的匹配電路功率耗散值為零,通過設(shè)計(jì)對(duì)T型和Π型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)匹配,來匹配合適的網(wǎng)絡(luò)寬帶,從而使得上設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。

4.2 單電抗性元件匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或是短截線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 在無損耗傳輸線路當(dāng)中,ZL為其終端的阻抗,其反射系數(shù)的值表現(xiàn)為比較穩(wěn)定。通過上文所論述的(2)式可知,從所觀察的某一點(diǎn)在負(fù)載的位置移開時(shí),在電路系統(tǒng)當(dāng)中某一點(diǎn)的位置歸一化輸入阻抗的實(shí)部數(shù)值會(huì)變成1。此時(shí)在該位置的串聯(lián)或者是并聯(lián)的單一電抗性元件或者是某一段傳輸線的短截線可以將反射信號(hào)進(jìn)行消除,并將該點(diǎn)之后的反射系數(shù)值變?yōu)?。(以下圖為例來進(jìn)行說明。)

根據(jù)阻抗公式可知,如果在dS處要進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠ヅ?實(shí)部處的值就必須要為1。因此可以將dS的值給確定下來,并利用該處的串聯(lián)電抗抵消輸入阻抗的虛部。

4.3 雙短截線的匹配網(wǎng)絡(luò) 雙短截線的電路匹配圖如下所示:

負(fù)載的阻抗ZL發(fā)生轉(zhuǎn)換之后,就轉(zhuǎn)換成了L位置短截線的歸一化導(dǎo)納。通過上圖我們可以看出j B1和j B2是明顯的串聯(lián)關(guān)系,兩種不同的歸一化電納經(jīng)過疊加以后形成的歸一化電納在電路傳輸過程中到達(dá)另外一個(gè)短截線的位置。該位置的網(wǎng)絡(luò)匹配條件就是歸一化電納的數(shù)值必須是1。處于虛部位置和j B2的電納因?yàn)榇嬖诠曹壃F(xiàn)象而相互抵消。

通過對(duì)上圖進(jìn)行觀察可以知道,j B1是電路中第一條短截線的電納,j B2是第二條短截線的電納。通過點(diǎn)納指則可以將短路線的長度計(jì)算出來。

λ/4阻抗變換器從理論的角度來說對(duì)于匹配純電阻性的負(fù)載確實(shí)是有一定作用的。如果射頻電路中的負(fù)載為復(fù)阻抗,通過這種方法則有可能無法進(jìn)行匹配。此時(shí)阻抗變換器的接入點(diǎn)需要更換位置,將其接在電壓波結(jié)點(diǎn)或者是電壓波的腹點(diǎn)處來實(shí)現(xiàn)匹配的調(diào)節(jié)。這是因?yàn)樵谶@兩個(gè)點(diǎn)的位置處,其輸入阻抗為出電阻。

5 結(jié)語

通過上文的論述可知,在射頻通信系統(tǒng)中,如果要實(shí)現(xiàn)更好的匹配,必須要對(duì)阻抗匹配電路進(jìn)行良好的設(shè)計(jì),這將會(huì)影響到整個(gè)電路系統(tǒng)的傳遞效率,而且還影響到對(duì)傳輸功率的容量和電路的工作穩(wěn)定性。此外,電路測(cè)量的精度誤差、各電子元器件的使用壽命等也有著緊密的關(guān)系。這就要求電路或者是系統(tǒng)之間有著良好的阻抗匹配。射頻電路在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)匹配設(shè)計(jì)的過程中,必須要時(shí)刻注意對(duì)負(fù)載的阻抗變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)確認(rèn),并依據(jù)其負(fù)載的阻抗變化趨勢(shì)來調(diào)整各參數(shù)的具體數(shù)值,實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)和負(fù)載之間能夠始終可以處于較好的阻抗匹配工作狀態(tài)。