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射频电路的基础知识介绍

陈RQING 来源:陈翠 作者:电路城 2019-09-27 09:16 次阅读

射频布局和天线调谐需要了解射频特定的概念,并且需要比传统电路布局更多的关注。本节介绍 RF 设计、传输线路和特性阻抗的基础知识。

需要理解以下概念和术语来设计有效的 RF 布局。

▪ 传输线

▪ 特性阻抗

▪ 回波损耗

▪ 介入损耗

▪ 阻抗匹配

影响射频设计与模拟设计相关的关键因素是射频电路的阻抗。在低频时,负载阻抗在距离负载走线不同距离处测量时保持不变。对于大多数应用,也不依赖于迹线宽度或其均匀性。因此,迹线仅表示为低频节点。但在高频时,RF 电路的阻抗 (Z) 会在距负载不同距离处测量时发生变化。这种变化还取决于所使用的基底和射频迹线的尺寸。因此,迹线也成为 RF 原理图中的设计元素。

传输线是通过定义的路径传输电磁能量的媒介。同轴电缆,波导以及 RF 引脚和天线之间的 RF 走线都是传输线。大多数射频迹线是诸如微带线和共面波导之类的传输线。

传输的关键特性是它的特征阻抗 (Z0),它是通过无损传输线传播的波的电压和电流的振幅比。对于频率为 2.45 GHz 的应用,例如 BLE,50Ω特性阻抗广泛用于射频迹线。

传输线路的等效模型

即使 Z0 是一个实数,它也不是 RF 走线的电阻。理想的传输由于其特性阻抗不消耗能量或具有任何损耗。传输线的等效模型如上图所示。它是表示传输线分布式串联电感与分布式并联电容之比的属性。

其中 L 和 C 分别是沿传输线任意长度的分布电感和分布电容。

特性阻抗 (Z0) 取决于 PCB 材料,基底厚度,迹线宽度,迹线厚度以及 RF 迹线和接地填充物之间的间隙。这些参数在传统的布局和设计中经常被忽略,但它们在射频设计中扮演着重要的角色。

阻抗测量设置的表示

上图描述了测量 RF 电路阻抗的典型测量设置。射频走线上给定点的阻抗与走线的特征阻抗,与负载的距离和负载阻抗有关;计算方式如下面的等式:

其中 Z 是在距离负载的距离为 l 处测得的阻抗,ZL是在负载 (l = 0) 处测得的阻抗,Z0是传输线的特性阻抗,β是相位常数。J 是阻抗的反应部分。

让我们来看看阻抗在特定情况下如何变化。

当在负载下测量时,l = 0,所以 Z 等于 ZL.

当 ZL = 0 和 l = λ/4 时, Z = ∞。

当 ZL = ∞ 和 l = λ/4 时, Z = 0

因此,在四分之一波长 (λ/ 4) 的距离处测量时,即使是短路,也可视为开路,反之亦然。在传统的电路设计中,走线长度从不接近λ/ 4,所以没有看到过这种操作。

当 ZL= Z0时,对于任何值 l,Z = Z0。

因此,当负载阻抗 (ZL) 等于特性阻抗 (Z0) 时,测量到的阻抗 (Z) 在距离负载的任意距离 (l) 处测量时都保持等于 Z0。出于这个原因,在将 RF 迹线传送到其他设备之前,使用匹配网络将任何 RF 设备的阻抗变换为 Z0是常见的做法。

匹配网络是用于将任何给定阻抗转换 (通常) 为 RF 迹线的特征阻抗的无源电路。为了确保通过 RF 电路从源到负载的最大功率传输,源阻抗和负载阻抗应该匹配。

由于电路的阻抗随与电路的距离而变化,所以用于阻抗匹配的元件的放置也取决于距被匹配电路的距离。即使射频迹线上的小短截线可用作电容器电感器,也可以改变阻抗。有关小短截线的示例,请参阅下图。

短截线示例

长度小于λ/ 4 的开路短截线等效于电容器,长度小于λ/ 4 的短路短截线相当于电感器。因此,短截线可以用于射频频率窄带应用的组件。但是,除非有意设计,射频迹线中的短截线或分支会影响阻抗匹配,导致射频性能较低。

在 RF 电路中源负载和传输线展示

匹配网络的有效性通过使用参数回波损耗和插入损耗来测量。

上图显示了一个典型的射频电路,其中一个射频源发射射频功率,一个负载承担大部分射频功率并反射一些射频功率。回波损耗是入射功率与反射功率之比。插入损耗指示在到达下一阶段之前通过电路损失的功率的部分。

在一个理想的匹配网络中,所有的功率都转移到下一个阶段,没有功率被反射。这会导致零插入损耗和无限回波损耗。在实际电路中,所需的回波损耗可能在 6 dB 到 30 dB 之间,具体取决于应用和使用情况。在匹配网络中,回波损耗转化为插入损耗,如下表所示。

回波损耗与插入损耗

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