l型匹配电路(射频工程师如何制作匹配电路)

射频工程师在设计芯片和天线的阻抗匹配时，有没有遇到过这样的问题？根据数据表的参数进行匹配设计。最后，测试表明，实际结果与手册的性能相差很大。你考虑过为什么会有这么大的差别吗？还有，在匹配调试的过程中，不断尝试不同的电容和电感，来回焊接元件。我们能改进这种调试方法吗？

一、理想的搭配

通常通信系统的射频前端需要阻抗匹配，以保证系统的有效接收和发射。在工业物联网无线通信系统中，国家对发射功率有严格要求，如高于+20 DBM；如果不能做好匹配，会影响系统的通信距离。

射频前端的理想情况是源端、传输线和负载端都是50，如图1所示。但这样的情况一般不存在。即使电路在设计过程中通过了仿真，但在板厂的制造过程中，线宽、传输线与地平面的间隙、板厚都会有误差，一般会预留焊盘进行调试。

图1理想阻抗匹配

二、是什么原因导致与芯片手册推荐电路偏差大？

从事射频电路设计的工程师都有过这样的经历。在制作匹配电路时，他们根据数据手册中给出的S参数、电路拓扑和元件值进行设计，最终得到的结果与手册中的结果相差很大。这是为什么呢？

主要原因是对于射频电路来说，“导线”不再是导线，而是具有特性阻抗。如图2所示，射频传输线被视为由电阻、电容和电感组成的网络，需要用分布参数理论进行分析。

图2传输线模型

特性阻抗与信号线的线宽(w)、线宽(t)、介质层厚度(h)和介电常数()有关。计算公式如下:

由公式可知，特性阻抗与介质层厚度成正比，可以理解为绝缘厚度越厚，信号通过它并与接地层形成回路所遇到的信息源网络电阻越大，所以阻抗值越大；并且与介电常数、线宽和线宽成反比。

由于芯片的应用场景不同，虽然电路设计相同，但设计的PCB受结构尺寸、器件类型、放置位置等因素的影响。，会导致板、板厚、布线的不同以及特性阻抗的变化。当我们仍然使用手册中给出的参数进行匹配时，我们无法实现良好的阻抗匹配，自然实际测试结果与手册中给出的结果会有较大的偏差。

虽然我们不能完全照搬芯片手动电路的所有参数，但是可以参考一下拓扑，比如T型，T型或者L型。那接下来应该怎么调试那些参数呢？

三。常规调试方法

完成PCB设计后，进入调试环节，有些工程师对这个过程不知所措，不知道如何下手。有的工程师会回到数据手册，把手册提供的参数直接焊接到PCB上，通过光谱仪观察功率输出。如果不符合预期值；然后调整电容和电感，增减，再焊回PCB，不断迭代，直到输出值达到预期。

由于这种方法无法知道PCB板上分布参数的阻抗，只能通过焊接改变参数不断调试，导致效率低下，不适合调试接收链路阻抗匹配。

4.有没有更有效的调试方法？

如果能知道PCB上分布参数的阻抗，就可以通过史密斯圆图进行循证阻抗匹配，减少不必要的参数尝试。分布参数阻抗的获取方式有两种:一是用仿真软件建模仿真，但建立模型需要知道材料、尺寸、结构等情况，其工作量不亚于直接调试；即使能建立模型，如何保证其准确性也值得研究。其次，用网络分析仪直接测量直观、准确。下面介绍如何通过网络划分直接获得特性阻抗。

图3是调试匹配电路的参考图，由芯片模块、射频开关和天线组成。以射频开关的输出为50参考点，连接网络分析仪，分别测量传输线到天线的阻抗和传输线到芯片端口的阻抗。匹配后，预计从天线方向的这个点看为50，从芯片方向看为50。选择这个作为50参考点主要有两点考虑:一是从这个点到天线端是接收和发射的共用链路，只需要匹配一次，还要考虑天线对阻抗的影响；分别到芯片端的接收和发送链路需要分别匹配；其次，虽然匹配电路数量增加，但每次匹配的元件数量减少，减少了相互影响，提高了匹配效率。

图3调试和配置参考图

5.测量分布参数的阻抗

测量前，校准网络分析仪。首先在PCB板上焊接除匹配网络外的所有器件，然后断开阻抗网络的接地元件，用0电阻短路串联元件，如图4所示。尽量不要用焊料短路，因为对于高频电路，焊料容易产生寄生效应，影响测量结果。

图4焊接调试装置

天线匹配调试时，需要断开与芯片的连接。芯片匹配调试时，需要断开与天线匹配组的连接，接收链路的匹配和发射链路的匹配可以通过切换开关分别调试。

应特别注意测量传输链路的阻抗。一般来说，只要得到静态或小信号传输的阻抗，就可以帮助我们完成设计，因为芯片在传输时处于线性放大区，得到阻抗后通过微调器件可以达到最佳输出功率。如果需要更精确的输出阻抗呢？当然也有可能，这就需要我们增加更多的设备，如图5所示。

图5 S22测量切屑排放时

图5中，被测放大器是芯片的功率放大器，使其进入最大功率输出；测试信号源向放大器提供反相输入信号a2。接收器通过定向耦合器检测放大器输出端产生的反射信号B2；B2A2与B2A2之比是放大器的大信号S22参数。要注意两点:一是在被测芯片和测试信号源之间加方向隔离器，防止大信号损坏信号源；第二，芯片输出频率和信号测试频率要不同。

具体调试步骤如下:

1.将网络分析仪校准到与电路板相连的射频电缆；

2.用网络分析仪测量阻抗；

3.史密斯圆图阻抗匹配；

4.选择合适的电容和电感焊接在PCB上；

5.测量无线芯片的输出和输入是否符合要求。

在匹配过程中，组件的选择一般遵循以下原则:

1.接地电容不要太大。电容越大，容抗越小，信号就容易流入and。

2.电容和电感值不能太小，因为有误差。电容和电感值越小，误差的影响越大，会影响批次的稳定性；

3.选择电容和电感的常规值，以便于替换以及材料准备和采购；

在阻抗匹配的过程中，首先要了解数据手册中的参数，找到指导电路设计的依据，如电路拓扑图、S参数等。在调试的过程中，借助网络分析仪测量实际电路的阻抗，并使用史密斯圆图帮助我们完成设计。最后，对电容和电感的选择提出了一些建议。希望这篇文章能在阻抗匹配方面给你一些帮助。

为了帮助大家更好的学习射频电路的S参数、阻抗匹配、射频接地，学习射频电路设计的关键工具和必要的基础知识，为下一阶段的射频器件电路设计，如功放、功分器的设计打下良好的基础。推荐大家学习本课程《射频电路与芯片设计要点》，由中科院射频R&D中心资深老师授课10年。系统讲解了射频工程师入门所需的一些知识点，如S参数、阻抗匹配、无源器件接地、单端电路、差分通道等。通过射频电路的原理，结合具体的工程实例，帮助大家掌握一套射频电路的常规设计思路和电路分析要领。

课程大纲内容:

1.阻抗匹配和射频接地功能

2.无源贴片元件的等效电路

3.单端和差分通道的详细说明

4.巴伦电路分析

5.RF电路PCB设计

6.接收器的噪声、增益和灵敏度

7.偏离、拦截和级联

8.模拟通信与数字通信的分析

本次射频电路课程，我们为大家赢得了活动福利，前200名报名者可以获得:

1)视频教程《射频电路与芯片设计要点》价值120元。

2)专属RF射频电路学习+问答交流群，与学生讲师互动问答。

3)电子发烧友VIP包月信息1个月，价值15元

4)支持射频电路设计课程的电子书(300多页)