【導(dǎo)讀】雖然天線(xiàn)的形狀和尺寸多種多樣，但它們有一個(gè)共同點(diǎn)：需要在饋線(xiàn)末端施加阻抗匹配，以確保向負(fù)載傳輸最大功率。阻抗匹配電路非常簡(jiǎn)單；它們充當(dāng)濾波器，可確保天線(xiàn)的饋線(xiàn)阻抗與天線(xiàn)輸入端口的輸入阻抗相匹配。要在天線(xiàn)或其他 RF 電路元件實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，最簡(jiǎn)單的方法是從濾波的角度出發(fā)。
本文要點(diǎn)
天線(xiàn)的阻抗匹配技術(shù)旨在確保將最大功率傳輸?shù)教炀€(xiàn)中，從而使天線(xiàn)元件能夠強(qiáng)烈輻射。
天線(xiàn)阻抗匹配是指將天線(xiàn)饋線(xiàn)末端的輸入阻抗與饋線(xiàn)的特性阻抗相匹配。
為此通常會(huì)使用濾波電路，因?yàn)榻?jīng)過(guò)配置之后，它們可以在所需傳輸頻率上提供特定阻抗。
雖然天線(xiàn)的形狀和尺寸多種多樣，但它們有一個(gè)共同點(diǎn)：需要在饋線(xiàn)末端施加阻抗匹配，以確保向負(fù)載傳輸最大功率。阻抗匹配電路非常簡(jiǎn)單；它們充當(dāng)濾波器，可確保天線(xiàn)的饋線(xiàn)阻抗與天線(xiàn)輸入端口的輸入阻抗相匹配。要在天線(xiàn)或其他 RF 電路元件實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，最簡(jiǎn)單的方法是從濾波的角度出發(fā)。
定義阻抗匹配要求
天線(xiàn)阻抗并不總是 50 歐姆，因此需要運(yùn)用阻抗匹配技術(shù)。有些天線(xiàn)（如芯片天線(xiàn)）在制造時(shí)阻抗較低或較高。對(duì)于其他天線(xiàn)，如印刷天線(xiàn)，可能很難設(shè)計(jì)出完全符合 50 歐姆目標(biāo)阻抗的天線(xiàn)；走線(xiàn)可能非常寬，或者天線(xiàn)可能占用電路板空間。最終的結(jié)果是需要縮小天線(xiàn)尺寸，因而造成阻抗失配。
此外，天線(xiàn)及其匹配網(wǎng)絡(luò)可能連接到短饋線(xiàn)，因此饋線(xiàn)的輸入阻抗可能不等于饋線(xiàn)的特性阻抗。相反，輸入阻抗需要與發(fā)射器的輸出阻抗相匹配，以便盡可能降低天線(xiàn)輸入端和饋線(xiàn)輸入端的回波損耗 (S11)。雖然帶有集成式 RF 收發(fā)器的設(shè)備通常采用或可以配置 50 歐姆的片上終端 (on-die termination)，但這并不意味著阻抗匹配是完美的。
如果采用基于電路的方法，天線(xiàn)阻抗匹配技術(shù)有多種選擇。目標(biāo)是確保（天線(xiàn) + 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)）等效阻抗與傳輸線(xiàn)入口處的輸入阻抗相匹配。典型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下表所示：
串聯(lián) LC 濾波器之類(lèi)的電路沒(méi)有用處，因?yàn)樗鼈儠?huì)有一個(gè)阻帶。如果需要達(dá)到非常快速的滾降，也可以使用高階 RF 濾波器，不過(guò)這會(huì)增加元件數(shù)量。無(wú)論使用哪種類(lèi)型的濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，（天線(xiàn) + 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)）阻抗都應(yīng)與天線(xiàn)饋線(xiàn)特性阻抗相匹配。為此，可以通過(guò) SPICE 仿真進(jìn)行評(píng)估。一旦確定了這種匹配，就可以回溯到天線(xiàn)輸入端口，確保進(jìn)一步匹配。
輸入阻抗
（天線(xiàn) + 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)）與饋線(xiàn)的目標(biāo)阻抗相匹配后，下一步是確保輸入阻抗也與 50 歐姆相匹配。利用天線(xiàn)輸入端的反射系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)傳輸線(xiàn)輸入阻抗方程，就可以很輕松地做到這一點(diǎn)：
已知傳播常數(shù)和所選長(zhǎng)度的饋線(xiàn)輸入阻抗。請(qǐng)注意，在計(jì)算饋線(xiàn)的輸入阻抗之前，必須先知道天線(xiàn)的阻抗。
理想情況下，天線(xiàn)阻抗也應(yīng)達(dá)到 50 歐姆。然后可以計(jì)算饋線(xiàn)輸入端的 S11（回波損耗）；典型的設(shè)計(jì)目標(biāo)是該輸入端口的損耗不超過(guò) 20 dB。
Stub 匹配
傳輸線(xiàn) stub 也可以作為并聯(lián)元件，就像并聯(lián)電容器或電感器一樣。只需將上述輸入阻抗方程用于 stub 部分，即可計(jì)算出 stub 充當(dāng)?shù)刃щ娐吩淖饔?。在使用印刷電路元件的無(wú)源 RF 電路中，stub 的使用非常普遍，因此也適合用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。請(qǐng)注意，由于電磁場(chǎng)在傳輸線(xiàn) stub 上的傳播行為，可以使用開(kāi)路或短路傳輸線(xiàn) stub 來(lái)匹配多個(gè)頻率。
2. 阻抗匹配電路的替代方案 在本文中，我們研究了使用各種濾波電路進(jìn)行阻抗匹配的方法，在連接芯片天線(xiàn)、同軸連接器，甚至印刷天線(xiàn)、走線(xiàn)或縫隙天線(xiàn)時(shí)，這些方法十分常見(jiàn)。電路設(shè)計(jì)方法是標(biāo)準(zhǔn)方法，因?yàn)樵?SPICE 仿真器中實(shí)施參數(shù)掃描非常簡(jiǎn)單，可檢查天線(xiàn)輸入端口的輸入阻抗和反射系數(shù)。對(duì)于不喜歡使用電路仿真的用戶(hù)，也可以使用其他工具來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)阻抗匹配。 史密斯圓圖也可以用于實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)阻抗匹配。這是一種應(yīng)用阻抗匹配的圖形方法，需要添加串聯(lián)或并聯(lián)的 L 和 C 元件來(lái)跟蹤（天線(xiàn) + 匹配網(wǎng)絡(luò)）組合的阻抗。網(wǎng)上有許多關(guān)于如何使用史密斯圓圖的指南，我們建議新手天線(xiàn)設(shè)計(jì)人員在首次嘗試使用史密斯圓圖時(shí)先參考這些指南。請(qǐng)務(wù)必牢記在圖表中應(yīng)用 L 和 C 元件的串聯(lián)和并聯(lián)規(guī)則（見(jiàn)下文）。 史密斯圓圖的串聯(lián)和并聯(lián)規(guī)則用于將（天線(xiàn) + 匹配網(wǎng)絡(luò)）的總阻抗移至 50 歐姆的目標(biāo)阻抗。 針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)輻射體的最后一種方法是使用電磁場(chǎng)求解器。3D 有限差分頻域 (Finite-difference frequency domain ，即 FDFD) 仿真可用于檢查設(shè)備發(fā)出的電磁場(chǎng)，然后將其與天線(xiàn)中的電壓和電流分布相關(guān)聯(lián)。更復(fù)雜的求解器可以從這些結(jié)構(gòu)中提取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，直接計(jì)算輸入端口和所需發(fā)射頻率/帶寬的 S11。然后，設(shè)計(jì)人員就可以利用這些數(shù)據(jù)，使用上文概述的其他技術(shù)來(lái)確定天線(xiàn)設(shè)計(jì)的阻抗匹配量。 Cadence 為此提供了 Clarity 3D Solver 電磁仿真工具，此工具非常適合在獨(dú)特的 RF 系統(tǒng)的天線(xiàn)設(shè)計(jì)、互連設(shè)計(jì)和波導(dǎo)設(shè)計(jì)中實(shí)施阻抗匹配技術(shù)。這款強(qiáng)大的 3D EM 仿真器基于高精度有限元方法（FEM），現(xiàn)已集成在 Cadence AWR Design Environment 平臺(tái)中，為射頻集成電路（RFIC）/單片微波集成電路（MMIC）、模塊和射頻 PCB 設(shè)計(jì)者提供了隨時(shí)進(jìn)行大容量電磁分析的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜射頻/混合信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和簽核。 文章來(lái)源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心
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