阻抗匹配電路的作用 Smith圓圖在RF匹配電路調(diào)試中的應(yīng)用和注意事項(xiàng)

一、阻抗匹配電路的作用

阻抗控制在硬件設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)，IC廠(chǎng)商針對(duì)其應(yīng)用一般會(huì)向終端產(chǎn)商提供PCB板材質(zhì)、PCB疊層、PCB板厚等一些相關(guān)參考設(shè)計(jì)建議（這些都是跟PCB阻抗控制設(shè)計(jì)息息相關(guān)的），終端廠(chǎng)商在拿到這些資料后，會(huì)結(jié)合實(shí)際情況據(jù)此進(jìn)行本地化的設(shè)計(jì)調(diào)整，然后將相關(guān)設(shè)計(jì)資料及要求提供給PCB的生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行PCB生產(chǎn)。

針對(duì)不同信號(hào)系統(tǒng)有不同的特征阻抗值，比如75ohm、100ohm、90ohm、50ohm等，而對(duì)頻率較高的RF信號(hào)來(lái)講，最常見(jiàn)的是50ohm的阻抗控制。

在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)中，RF傳輸線(xiàn)通常都會(huì)采用微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)的走線(xiàn)方式， 且需要選取參考層來(lái)進(jìn)行阻抗控制?？紤]到芯片的RF特性、實(shí)際PCB生產(chǎn)工藝、及元器件用料的因素，除了需進(jìn)行PCB RF傳輸線(xiàn)的阻抗控制外，在硬件設(shè)計(jì)上通常還需添加一些匹配網(wǎng)絡(luò)電路用作RF的調(diào)試，一般說(shuō)來(lái)，其作用大概為以下幾種：

1、諧振頻率以及帶寬的調(diào)整

2、功率、EVM、ACLR、PA電流、傳導(dǎo)雜散和輻射雜散等指標(biāo)的調(diào)試等

圖1 某IC廠(chǎng)商建議的4-layer層疊方式

二、阻抗匹配的理想模型

射頻工程師大都遇到過(guò)匹配阻抗的問(wèn)題，通俗的講，阻抗匹配的目的是確保能實(shí)現(xiàn)信號(hào)或能量從“信號(hào)源”到“負(fù)載”的有效傳送，其最最理想模型當(dāng)然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆，傳輸線(xiàn)的阻抗為50歐姆，Load端的輸入阻抗也是50歐姆，一路50歐姆下去，這是最理想的。

圖2 理想阻抗傳輸

然而實(shí)際情況是：源端阻抗不會(huì)是50ohm，負(fù)載端阻抗也不會(huì)是50ohm，這個(gè)時(shí)候就需要若干個(gè)阻抗匹配電路，而匹配電路就是由電感和電容所構(gòu)成，這個(gè)時(shí)候我們就需要使用電容和電感來(lái)進(jìn)行阻抗匹配電路調(diào)試，以達(dá)到RF性能最優(yōu)。

三、電感電容的高頻特性

要用電感電容解決高頻的性能問(wèn)題，那我們就需要先了解下電容和電感這些器件在高頻的特性。

翻一翻以前的物理課本，對(duì)電容器，是用平板表面積與平板間距的比值來(lái)定義其容量：

（A代表平板表面積，d代表平板間距，理想情況下在平板間沒(méi)有電流流動(dòng)）

但在高頻信號(hào)通過(guò)時(shí)，電容器平板間的實(shí)際電介質(zhì)存在損耗（也就是板間有傳導(dǎo)電流流動(dòng)），所以，電容器的阻抗需要表示成電導(dǎo)和電納的并聯(lián)組合：

圖3 高頻電容等效電路

而對(duì)電感而言，在射頻電路中經(jīng)常使用的電感為線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，其線(xiàn)圈是用導(dǎo)線(xiàn)在圓柱體上繞制而成，線(xiàn)圈除了具有與頻率無(wú)關(guān)的電阻之外，它還存在一個(gè)“電感”，而臨近的繞圈間存在著分離的移動(dòng)電荷，所以它還存在一個(gè)寄生旁路“電容”。

圖4 高頻電感等效電路

在高頻時(shí)，電容器中的電介質(zhì)產(chǎn)生了損耗，所以電容器在諧振點(diǎn)前，呈現(xiàn)的阻抗特性與頻率成反比；而對(duì)電感器而言，當(dāng)頻率接近諧振點(diǎn)時(shí)，高頻電感的阻抗迅速提高，當(dāng)頻率繼續(xù)提高時(shí)，寄生電容C的影響成為主要的，線(xiàn)圈阻抗逐漸降低。

所以，一個(gè)實(shí)際電感或者電容并不能簡(jiǎn)單用電感量或電容量來(lái)衡量，而應(yīng)該將其當(dāng)成寄生旁路電容C、串聯(lián)電阻R、寄生電感L的綜合效應(yīng)，這個(gè)時(shí)候通過(guò)一個(gè)等效網(wǎng)絡(luò)去模擬要更為合理，當(dāng)然，具體使用時(shí)，有時(shí)還需考慮集總參數(shù)和分布參數(shù)電路模型。

圖5 高頻電容阻抗頻率曲線(xiàn)

圖6 高頻電感阻抗頻率曲線(xiàn)

四、Smith圓圖在RF匹配電路調(diào)試中的應(yīng)用

說(shuō)完電感、電容的高頻特性，接著我們來(lái)看看Smith圓圖。

Smith圓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)，噪聲系數(shù)，增益，穩(wěn)定因子，功率，效率，頻率信息等抗等參數(shù)。

圖5 Simth圓圖

是不是一臉懵，我們還是來(lái)看阻抗圓圖吧：

圖6 阻抗圓圖

阻抗圓圖的構(gòu)圖原理是利用輸入阻抗與電壓反射系數(shù)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，將歸一化輸入阻抗表示在反射系數(shù)極坐標(biāo)系中，其特點(diǎn)歸納如下：

1.上半圓阻抗為感抗，下半圓阻抗為容抗；

2.實(shí)軸為純電阻，單位圓為純電抗；

3.實(shí)軸的右半軸皆為電壓波腹點(diǎn)（除開(kāi)路點(diǎn)），左半軸皆為電壓波節(jié)點(diǎn)（除短路點(diǎn)）；

4.匹配點(diǎn)（1，0），開(kāi)路點(diǎn)（∞，∞）和短路點(diǎn)（0，0）；

5.兩個(gè)特殊圓:最大的為純電抗圓，與虛軸相切的為匹配圓；

6.兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向:逆時(shí)針轉(zhuǎn)為向負(fù)載移動(dòng)，順時(shí)針轉(zhuǎn)為向波源移動(dòng)。

導(dǎo)納圓圖與阻抗圓圖互為中心對(duì)稱(chēng)，同一張圓圖，即可以當(dāng)作阻抗圓圖來(lái)用，也可以當(dāng)作導(dǎo)納圓圖來(lái)用，但是在進(jìn)行每一次操作時(shí)，若作為阻抗圓圖用則不能作為導(dǎo)納圓圖。

Smith圓圖中，能表示出一些很有意思的特征：

在負(fù)載之前串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)可變電感/電容，電路圖如圖7左側(cè)4個(gè)圖所示，將得到Smith圓圖上右側(cè)的幾條曲線(xiàn)。對(duì)應(yīng)Smith阻抗圓及導(dǎo)納圓，其運(yùn)動(dòng)軌跡如下：

1、使用Smith阻抗圓時(shí)，串聯(lián)電感順時(shí)針轉(zhuǎn)，串聯(lián)電容逆時(shí)針轉(zhuǎn)；

2、使用Smith導(dǎo)納圓時(shí)，并聯(lián)電感，逆時(shí)針轉(zhuǎn)，并聯(lián)電容順時(shí)針轉(zhuǎn)。

圖7 聯(lián)接集中元件，Smith軌跡變化規(guī)律

五、匹配電路調(diào)試的注意事項(xiàng)

以上串并聯(lián)元件對(duì)應(yīng)的smith圖上的運(yùn)動(dòng)軌跡可作為調(diào)試的參考及對(duì)結(jié)果的初步判斷，而至于RF匹配電路實(shí)際調(diào)試過(guò)程中的注意事項(xiàng)，一般而言有五項(xiàng)：

1 .電感/電容值不要過(guò)小，原因是要維持匹配的穩(wěn)定性，因?yàn)殡姼?電容值會(huì)有誤差，以電容為例子，大概有±0.1pF的誤差，如果是一個(gè)容值為 0.3pF的電容，則誤差高達(dá)33%，其容值范圍為0.2pF~0.4pF，這可能會(huì)導(dǎo)致每片PCB的Tx/Rx Performance不一致，進(jìn)而影響工廠(chǎng)量產(chǎn)時(shí)的良率。

2. 落地電容值不要過(guò)大，是因?yàn)橐勒杖菘构?

電容值越大，容抗越小，因此落地電容值過(guò)大，則可能會(huì)讓信號(hào)都流到地端。

3.電感/電容值不要過(guò)于冷門(mén)，原因是方便備料。若是常見(jiàn)的值，則所有廠(chǎng)家都會(huì)有，量產(chǎn)過(guò)程中，避免出現(xiàn)廠(chǎng)家缺料的情況。

4.盡可能設(shè)計(jì)成Low Pass Filter，原因是這樣可以抑制諧波。常用的 Low Pass Filter的組合如下:

圖8 Low Pass Filter組合

5.對(duì)一般消費(fèi)電子產(chǎn)品而言，匹配電路整個(gè)頻帶的smith原圖軌跡需落在VSWR=2的圓內(nèi)，且其整個(gè)頻帶的阻抗軌跡盡可能收斂，這是最重要的原則，上述步驟，是以單一頻率點(diǎn)來(lái)做匹配，但最后看整個(gè)頻率范圍內(nèi)的Smith Chart軌跡，才能決定這一組匹配值可否采用。（如圖9和圖10）

圖9 Smith Chart軌跡

圖10 Smith Chart軌跡

六、小結(jié)

對(duì)于靠近PA或者DUP等射頻前端器件的匹配網(wǎng)絡(luò)大家都會(huì)預(yù)留，但在一些物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于產(chǎn)品尺寸較小又需要設(shè)計(jì)PCB板載天線(xiàn)，有些工程師為了節(jié)省空間而省掉了靠近天線(xiàn)端的匹配網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致在RF性能的優(yōu)化過(guò)程中或者認(rèn)證要求的雜散測(cè)試中束手無(wú)策，造成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期加長(zhǎng)或者硬件設(shè)計(jì)的改版，得不償失。

因此，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，還是建議預(yù)留匹配電路，不管是射頻前端還是后端的部分。

另外，還存在這樣的一種可能，在將靠近天線(xiàn)端的匹配網(wǎng)絡(luò)作為“天線(xiàn)”的一部分進(jìn)行調(diào)試時(shí)，雖然駐波比得到了優(yōu)化，但天線(xiàn)系統(tǒng)的效率反而會(huì)降低。所以，在整機(jī)環(huán)境較為惡劣的情況下，僅僅想依靠匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整去提升整機(jī)的無(wú)線(xiàn)性能會(huì)有一定的難度，而且會(huì)存在雜散超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

調(diào)整匹配電路雖然能降低反射，但同樣會(huì)引入損耗，為了優(yōu)化性能多增加元器件，還有可能在生產(chǎn)制程上增加一些SMT issue的風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：湯梓紅