射频阻抗匹配精讲(1)

阻抗匹配是射频电路的基础知识,其重要性无异于音乐家的基础音节,舞蹈家的基本舞步;这些基础知识累计起来,就能设计出各种不同的网络,实现不同的电路功能。本文将会从一个非常容易理解的角度来解释射频阻抗,尽量不牵扯复杂的公式推理,因为我本人也不喜欢推导公式。相信看过以后,小白也会慢慢的成为高手。

本此主题要分三次才能彻底讲完,感兴趣的朋友请关注本号,以防走丢!

阻抗的定义:

特性阻抗指当电缆为无限长时所具有的阻抗,是阻止电流通过导体的一个电阻名称,不是常规意义的自流电阻。

信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的。对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗。

如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是什么引起的(可能是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),信号都会发生反射。

直流阻抗:

R= U/I 电压除以电流即为电阻,此时U和I同相,R为实数。

直流信号是信号的频率等于零的特殊情况

交流阻抗:

同轴电缆的特性阻抗:

D为电缆外径,d为电缆内直径,根号内为填充介质介电常数。

当信号频率等于f>0, 则定义:Z=U。*sin(2*π*f*t+θ1)/ I。*sin(2*π*f*t+θ2)=>

Z使得I相对于U产生了相移,则Z 变成复数。

Z=R+j*X, 因为RЄ(-∞,+ ∞ ),XЄ(-∞,+ ∞ ),Z的取值分布于整个复数域平面。

而在R

一般来说阻抗匹配的研究范围是R>=0的范围。

由阻抗Z和反射系数的关系而建立起的史密斯原图,是把阻抗平面进行一种特殊的变形工具,它提供了一种映射关系,把无限大复数阻抗平面的所有实部为正数的点转换到一个单位圆内部,每一个Zin对应唯一的 “Γ”,反射系数。它把把反射系数,阻抗,Q值,阻容感器件结合在一起,非常的实用。

映射关系

这里推荐一个做阻抗匹配的小工具,免费的:SMITH V3.10.EXE, 可以很直观地看到阻抗匹配的过程。该图表是由菲利普·史密斯(Phillip Smith)于1939年发明的,当时他在美国的RCA公司工作。史密斯曾说过,“在我能够使用计算尺的时候,我对以图表方式来表达数学上的关联很有兴趣”。

Q值: 通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为:Q=wo/BW=X/R

反射系数的定义:

顾名思义,反射系数表征的是当射频能量穿过一个不连续的阻抗界面时,反射回来的能量和传输的能量之比。如果没有能量反射回来,全部通过,则Γ为零;若能量全部反射回来,则Γ为1;若反射回来的能量和入射的能量相反,则Γ为-1.

史密斯原图的分解

下图就是史密斯原图,看上去乱糟糟的,实际上看图是有规律的。这图上有几个重要的点,和线,只要掌握了就迎刃而解。

接下来就一一分解这个原图,力争弄清楚明白。

1 首先,最外圈红色的圆为R=0的圆,和实轴相接的点左侧为短路点(阻抗实部为零,虚部也为零,反射系数为-1),右侧为开路点(阻抗实部为无穷大,虚部也为无穷大,反射系数为1)。之前不是说过嘛,在二维平面上R>0的阻抗点,全部映射到圆内,所以R=0这条线,就映射成了红色的圆。这里有一点矛盾的地方,就右侧哪个点,其实是个重叠,就是R=0和R为无穷大重合了,同时也是虚部阻抗为无穷大。这里有点说不通,不过还好对应用来讲没啥问题。

2 其次,中间的一条红线为实轴,意思是处于该线上的点代表的阻抗只有实部,虚部都是000.其实就是等价于电阻啦。如图中所说,上半平面虚部阻抗大于0,代表感性,就是电感了(电感的阻抗是 jwL,正的); 下半平面虚部小于零,就是电容了(电容的阻抗是1/ jwc,负的)。

下半平面是对称的

经过以上分解,史密斯图就显得有条理了吧?其实它是一个很有规律的图。但是你知道了这些特征,也仅仅是了解了阻抗在那个位置代表什么意思,这只是一个静态的点,对于阻抗匹配还是一脸懵逼,因为阻抗匹配是从一个点运动到另一个点,所以最重要的是阻抗点的运动趋势,这才是重中之重。下一讲讲解史密斯原图的阻抗点运动规律。

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