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)計芯片和天線間的阻抗匹配時是否也遇到過這樣的問題，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的參數(shù)進行匹配設(shè)計，最后測試發(fā)現(xiàn)實際結(jié)果和手冊的性能大相徑庭，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)計芯片和天線間的阻抗匹配時是否也遇到過這樣的問題，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的參數(shù)進行匹配設(shè)計，最后測試發(fā)現(xiàn)實際結(jié)果和手冊的性能大相徑庭，你是否考慮過為什么會出現(xiàn)這么大的差別？還有，匹配調(diào)試過程中不斷的嘗試不同的電容、電感，來回焊接元器件，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)的無線通信系統(tǒng)中，國家對發(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)計過程中仿真通過，板廠制作過程中，線寬、傳輸線與地平面間隙和板厚都會存在誤差，一般會預(yù)留焊盤調(diào)試使用。

圖1 理想的阻抗匹配

二、造成與芯片手冊推薦電路偏差大的原因？

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

其主要原因是對射頻電路來說，“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)，此時需要用分布參數(shù)理論進行分析。

圖2 傳輸線模型

特征阻抗與信號線的線寬(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，信號穿過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。

因為芯片的應(yīng)用場景不同，雖然電路設(shè)計一樣，但是設(shè)計的PCB受結(jié)構(gòu)尺寸、器件種類、擺放位置等因素的影響，會導(dǎo)致板材、板厚、布線的不同，引起特征阻抗的變化。當(dāng)我們還是沿用手冊給的參數(shù)進行匹配時，并不能做到良好阻抗匹配，自然會出現(xiàn)實際測試的結(jié)果與手冊給的結(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)計之后，進入調(diào)試過程，有的工程師對這個過程茫然失措，不知道該如何入手。有的工程師會回到數(shù)據(jù)手冊，把手冊提供的參數(shù)直接焊接到PCB上，通過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，就可以通過史密斯圓圖進行有據(jù)可循的阻抗匹配，減少無謂的參數(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)分析儀直接測量，該方法直觀而且結(jié)果準(zhǔn)確。下面介紹如何通過網(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、射頻開關(guān)和天線組成。把射頻開關(guān)輸出端作為50 Ω參考點，此處接入網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測量傳輸線到天線的阻抗和傳輸線到芯片端口的阻抗。通過匹配之后，希望從該點往天線方向看進去是50 Ω和往芯片方向看進去也是50 Ω。選擇這里作為50 Ω參考點主要有兩方面考慮：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，同時把天線對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。