匹配调试

匹配调试
匹配调试

通常对某个频点上的阻抗匹配可利用 SMITH 圆图工具进行, 两个器件肯定能搞定, 即 通过串+并联电感或电容即可实现由圆图上任一点到另一点的阻抗匹配, 但这是单频的。而 手机天线是双频的, 对其中一个频点匹配,必然会对另一个频点造成影响, 因此阻抗匹配只 能是在两个频段上折衷. 在某一个频点匹配很容易,但是双频以上就复杂点了。因为在 900M 完全匹配了,那么 1800 处就不会达到匹配,要算一个适合的匹配电路。最好用仿真软件或一个点匹配好了, 在 网络分析仪上 的 S11 参数下调整,因为双频的匹配点肯定离此处不会太远。 ,只有两个 元件匹配是唯一的,但是 pi 型网络匹配,就有无数个解了。这时候需要仿真来挑,最好使 用经验。 仿真工具在实际过程中几乎没什么用处。 因为仿真工具是不知道你元件的模型的。 你必 须要输入实际元件的模型,也就是说各种分布参数,你的结果才可能与实际相符。一个实际 电感器并不是简单用电感量能衡量的, 应该是一个等效网络来模拟。 本人通常只会用仿真工 具做一些理论的研究。 实际设计中,要充分明白 Smith 圆图的原理,然后用网络分析仪的圆图工具多调试。懂 原理让你定性地知道要用什么件, 多调是要让你熟悉你所用的元件会在实际的圆图上怎么移 动。 (由于分布参数及元件的频率响应特性的不同,实际件在圆图上的移动和你理论计算的 移动会不同的) 。 双频的匹配的确是一个折衷的过程。你加一个件一定是有目的性的。以 GSM、DCS 双 频来说, 你如果想调 GSM 而又不太想改变 DCS, 你就应该选择串连电容、 并联电感的方式。 同样如果想调 DCS,你应该选择串电感、并电容。 理论上需要 2 各件调一个频点, 所以实际的手机或者移动终端通常按如下规律安排匹配 电路:对于简单一些的,天线空间比较大,反射本来就较小的,采用 Pai 型(2 并一串) ,如 常规直板手机、常规翻盖机;稍微复杂些的采用双 L 型(2 串 2 并) :对于更复杂的,采用 L+Pai 型(2 串 3 并) ,比如用拉杆天线的手机。 记住,匹配电路虽然能降低反射,但同时会引入损耗。有些情况,虽然驻波比好了,但 天线系统的效率反而会降低。所以匹配电路的设计是有些忌讳的;比如在 GSM、DCS 手机 中匹配电路中,串联电感一般不大于 5.6nH。还有,当天线的反射本身比较大,带宽不够, 在 smith 图上看到各频带边界点离圆心的半径很大,一般加匹配是不能改善辐射的。 天线的反射指标(VSWR,return loss)在设计过程中一般只要作为参考。关键参数是 传输性参数(如效率,增益等) 。有人一味强调 return loss,一张口要-10dB,驻波比要小 于 1.5,其实没有意义。我碰到这种人,我就开玩笑说,你只要反射指标好,我给你接一个 50 欧姆的匹配电阻好了,那样驻波小于 1.1 啊,至于你手机能不能工作我就不管了! SWR 驻波比仅仅说明端口的匹配程度,即阻抗匹配程度。匹配好,SWR 小,天线输入 端口处反射回去的功率小。匹配不好,反射回去的功率就大。至于进入天线的那部分功率是 不是辐射了, 你根本不清楚。 天线的效率是辐射到空间的总功率与输入端口处的总功率之比。 所以 SWR 好了,无法判断天线效率一定就高(拿一个 50ohm 的匹配电阻接上,SWR 很好 的,但有辐射吗?) 。但是 SWR 不好了,反射的功率大,可以肯定天线的效率一定不会高。 SWR 好是天线效率好的必要条件而非充分条件。 SWR 好并且辐射效率 (radiation efficiency) 高是天线效率高的充分必要条件。当 SWR 为理想值(1)时,端口理想匹配,此时天线效 率就等于辐射效率。 当今的手机,天线的空间压缩得越来越小,是牺牲天线的性能作为代价的。对于某些多 频天线,甚至 VSWR 达到了 6。以前大家比较多采用外置天线,平均效率在 50%算低的, 现在 50%以上的效率就算很好了!看一看市场上的手机,即使是名公司的,如 Nokia 等, 也有效率低于 20%的。有的手机(滑盖的啊,旋转的啊)甚至在某些频点的效率只有 10%左

右。 见过几个手机内置天线的测试报告,天线效率基本都在 30-40%左右,当时觉得实在是 够差的(比我设计的微带天线而言) ,现在看来还是凑合的了。不过实际工程中,好像都把 由于 S11 造成的损耗和匹配电路的损耗计在效率当中了,按天线原理,只有介质损耗(包括 基板引起的和手机内磁铁引起的)和金属损耗(尽管很小)是在天线损耗中的,而回损和匹 配电路的损耗不应该记入的。不过工程就是工程啊,这样容易测试啊。 对了,再补充一句,软件仿真在一定程度上是对工程有帮助的:当然,仿真的结果准确 程度没法跟测试相比, 但是通过参数扫描仿真获取的 天线性能随参数变化趋势还是有用的, 这比通过测试获取数据要快不少,尤其是对某些不常用的参数。 “仿真工具在实际工程中没有什么用处” ,是说在设计匹配电路时,更具体一点是指设计 双频 GSM、DCS 手机天线匹配电路时。如果单独理解这句话,无疑是错的。事实上,我一 直在用 HFSS 进行天线仿真,其结果也都是基于仿真结果的。 对了,焊元器件真的是一件费劲的事,而且也有方法的,所谓熟能生巧嘛。大的公司可 能给你专门配焊接员,那样你可能就只要说焊什么就可以了。然而,我们在此讨论的是如何 有效地完成匹配电路的设计。 注意有效性! 有效性包括所耗的时间以及选择元器件的准确性。 如果没有实际动手的经验, 只通过软件仿真得出一种匹配设计然而用到实际天线输入端。 呵 呵,我可以说,十有八九你的设计会不能用,甚至和你的想象大相径庭! 实际设计中,还有一种情况你在仿真中是无法考虑的(除非你事先测量) 。那就是,分 布参数对于 PIFA 的影响。由于如今天线高度越来越小,而匹配电路要么在天线的下方(里 面)要么在其下方(外面) ,反正很近,加入一个实际元件在实际中会引入分布参数的改变。 尤其如果电路板排版不好, 这种效应会明显一些。 实际焊接时, 甚至如果一个件焊得不太好, 重新焊接一下,都会带来阻抗的变化。 所以,PIFA 的设计中,通常我们不采用匹配电路(或者叫 0ohm 匹配) 。这就要求你仔 细调节优化你的天线。一般来说对现今的柔性电路板设计方案(Flexfilm)比较容易做到, 因为修改辐射片比较容易。 对于用得比较多的另一种设计方案冲压金属片 (stamping metal) , 相对来说就比较难些了。一是硬度大,受工艺的限制不能充分理由所有空间,二是模具一旦 成型要多次修改辐射片的设计也很困难。 在匹配设计上仿真工具有没有很大的用处,没多少人是可以用仿真工具算出匹配来的。 再说,有没有很大效果怎么衡量呢? 工程上讲究的是快速,准确。为了仿真而仿真,没有 实际意义。为了得到一个 2、3、最多 5 个件的匹配你去建立电感、电容的模型,不太值的。 还有,你如何考虑上面我提到的 PIFA 匹配的分布参数的改变?前面我还说到一些匹配电路 的忌讳,不是源于理论,完全源于实践。因为天线的设计是希望能提高它的辐射效率(总效 率)!我没有成功地在 1 小时内通过仿真工具找到过准确的匹配电路(就说 GSM、DCS)双 频的吧, (实际中用视错法是可以的) 。
在处理 RF 系统的实际应用问题时,总会遇到一些非常困难的工作,对各部分级联电路的不同阻 抗进行匹配就是其中之一。一般情况下,需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之 间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹 配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。 在高频端, 寄生元件(比如连线上的电感、 板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、 不可预知的影响。频率在数十兆赫兹以上时,理论计算和仿真已经远远不能满足要求,为了得到 适当的最终结果,还必须考虑在实验室中进行的 RF 测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定 电路的结构类型和相应的目标元件值。

有很多种阻抗匹配的方法,包括 ? 计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配,所以使用起 来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大 量的输出结果中找到有用数据的技能。另外,除非计算机是专门为这个用途制造的,否 则电路仿真软件不可能预装在计算机上。 ? ? ? 手工计算: 这是一种极其繁琐的方法,因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且 被处理的数据多为复数。 经验: 只有在 RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之,它只适合于资深的专 家。 史密斯圆图:本文要重点讨论的内容。
本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识, 并且总结它在实际中的应用方法。 讨论的 主题包括参数的实际范例,比如找出匹配网络元件的数值。当然,史密斯圆图不仅能够为我们找 出最大功率传输的匹配网络, 还能帮助设计者优化噪声系数, 确定品质因数的影响以及进行稳定 性分析。
图 1. 阻抗和史密斯圆图基础
基础知识
在介绍史密斯圆图的使用之前, 最好回顾一下 RF 环境下(大于 100MHz) IC 连线的电磁波传播现 象。这对 RS-485 传输线、PA 和天线之间的连接、LNA 和下变频器/混频器之间的连接等应用都 是有效的。 大家都知道,要使信号源传送到负载的功率最大,信号源阻抗必须等于负载的共轭阻抗,即: RS + jXS = RL - jXL

图 2. 表达式 RS + jXS = RL - jXL 的等效图
在这个条件下,从信号源到负载传输的能量最大。另外,为有效传输功率,满足这个条件可以避 免能量从负载反射到信号源, 尤其是在诸如视频传输、 RF 或微波网络的高频应用环境更是如此。
史密斯圆图
史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。 正确的使用它, 可以在不作任何计算的前提下得 到一个表面上看非常复杂的系统的匹配阻抗,唯一需要作的就是沿着圆周线读取并跟踪数据。 史密斯圆图是反射系数(伽马,以符号 Γ 表示)的极座标图。反射系数也可以从数学上定义为单端 口散射参数,即 s11。 史密斯圆图是通过验证阻抗匹配的负载产生的。这里我们不直接考虑阻抗,而是用反射系数 ΓL, 反射系数可以反映负载的特性(如导纳、增益、跨导),在处理 RF 频率的问题时 ΓL 更加有用。 我们知道反射系数定义为反射波电压与入射波电压之比:
图 3. 负载阻抗
负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。反射系数的表达式定义为:
由于阻抗是复数,反射系数也是复数。 为了减少未知参数的数量,可以固化一个经常出现并且在应用中经常使用的参数。这里 Z0 (特性 阻抗)通常为常数并且是实数,是常用的归一化标准值,如 50Ω、75Ω、100Ω 和 600Ω。于是我 们可以定义归一化的负载阻抗:

据此,将反射系数的公式重新写为:
从上式我们可以看到负载阻抗与其反射系数间的直接关系。 但是这个关系式是一个复数, 所以并 不实用。我们可以把史密斯圆图当作上述方程的图形表示。 为了建立圆图,方程必需重新整理以符合标准几何图形的形式(如圆或射线)。 首先,由方程 2.3 求解出;
并且
令等式 2.5 的实部和虚部相等,得到两个独立的关系式:
重新整理等式 2.6,经过等式 2.8 至 2.13 得到最终的方程 2.14。这个方程是在复平面(Γr, Γi)上、 圆的参数方程(x - a)2 + (y - b)2 = R2,它以[r/(r + 1), 0]为圆心,半径为 1/(1 + r)。
更多细节参见图 4a。

图 4a. 圆周上的点表示具有相同实部的阻抗。例如,r = 1 的圆,以(0.5, 0)为圆心,半径为 0.5。 它包含了代表反射零点的原点(0, 0) (负载与特性阻抗相匹配)。以(0, 0)为圆心、半径为 1 的圆 代表负载短路。负载开路时,圆退化为一个点(以 1, 0 为圆心,半径为零)。与此对应的是最大的 反射系数 1,即所有的入射波都被反射回来。
在作史密斯圆图时,有一些需要注意的问题。下面是最重要的几个方面: ? ? ? ? ? 所有的圆周只有一个相同的,唯一的交点(1, 0)。 代表 0Ω、也就是没有电阻(r = 0)的圆是最大的圆。 无限大的电阻对应的圆退化为一个点(1, 0) 实际中没有负的电阻,如果出现负阻值,有可能产生振荡。 选择一个对应于新电阻值的圆周就等于选择了一个新的电阻。
作图
经过等式 2.15 至 2.18 的变换,2.7 式可以推导出另一个参数方程,方程 2.19。
同样,2.19 也是在复平面(Γr, Γi)上的圆的参数方程(x - a)2 + (y - b)2 = R2,它的圆心为(1, 1/x), 半径 1/x。 更多细节参见图 4b。

图 4b. 圆周上的点表示具有相同虚部 x 的阻抗。例如,× = 1 的圆以(1, 1)为圆心,半径为 1。所 有的圆(x 为常数)都包括点(1, 0)。与实部圆周不同的是,x 既可以是正数也可以是负数。这说明 复平面下半部是其上半部的镜像。所有圆的圆心都在一条经过横轴上 1 点的垂直线上。
完成圆图
为了完成史密斯圆图, 我们将两簇圆周放在一起。 可以发现一簇圆周的所有圆会与另一簇圆周的 所有圆相交。若已知阻抗为 r + jx,只需要找到对应于 r 和 x 的两个圆周的交点就可以得到相应 的反射系数。
可互换性
上述过程是可逆的,如果已知反射系数,可以找到两个圆周的交点从而读取相应的 r 和×的值。 过程如下: ? ? ? ? ? ? 确定阻抗在史密斯圆图上的对应点 找到与此阻抗对应的反射系数(Γ) 已知特性阻抗和 Γ,找出阻抗 将阻抗转换为导纳 找出等效的阻抗 找出与反射系数对应的元件值(尤其是匹配网络的元件,见图 7)
推论
因为史密斯圆图是一种基于图形的解法, 所得结果的精确度直接依赖于图形的精度。 下面是一个 用史密斯圆图表示的 RF 应用实例: 例: 已知特性阻抗为 50Ω,负载阻抗如下: Z1 = 100 + j50Ω Z2 = 75 - j100Ω Z3 = j200Ω Z4 = 150Ω

Z5 = ∞ (an open circuit) Z6 = 0 (a short circuit) Z7 = 50Ω
Z8 = 184 - j900Ω
对上面的值进行归一化并标示在圆图中(见图 5):
z1 = 2 + j z2 = 1.5 - j2 z3 = j4 z4 = 3 z5 = 8 z6 = 0 z7 = 1 z8 = 3.68 - j18
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图 5. 史密斯圆图上的点
现在可以通过图 5 的圆图直接解出反射系数 Γ。画出阻抗点(等阻抗圆和等电抗圆的交点),只要 读出它们在直角坐标水平轴和垂直轴上的投影,就得到了反射系数的实部 Γr 和虚部 Γi (见图 6)。 该范例中可能存在八种情况,在图 6 所示史密斯圆图上可以直接得到对应的反射系数 Γ: Γ1 = 0.4 + 0.2j Γ2 = 0.51 - 0.4j Γ3 = 0.875 + 0.48j Γ4 = 0.5 Γ5 = 1 Γ6 = -1 Γ7 = 0 Γ8 = 0.96 - 0.1j

图 6. 从 X-Y 轴直接读出反射系数 Γ 的实部和虚部
用导纳表示
史密斯圆图是用阻抗(电阻和电抗)建立的。一旦作出了史密斯圆图,就可以用它分析串联和并联 情况下的参数。 可以添加新的串联元件, 确定新增元件的影响只需沿着圆周移动到它们相应的数 值即可。然而,增加并联元件时分析过程就不是这么简单了,需要考虑其它的参数。通常,利用 导纳更容易处理并联元件。 我们知道,根据定义 Y = 1/Z,Z = 1/Y。导纳的单位是姆欧或者 Ω (早些时候导纳的单位是西门 子或 S)。并且,如果 Z 是复数,则 Y 也一定是复数。 所以 Y = G + jB (2.20),其中 G 叫作元件的“电导”,B 称“电纳”。在演算的时候应该小心谨慎, 按照似乎合乎逻辑的假设,可以得出:G = 1/R 及 B = 1/X,然而实际情况并非如此,这样计算 会导致结果错误。 用导纳表示时,第一件要做的事是归一化, y = Y/Y0,得出 y = g + jb。但是如何计算反射系数 呢?通过下面的式子进行推导: 结果是 G 的表达式符号与 z 相反,并有 Γ(y) = -Γ(z)。 如果知道 z,就能通过将的符号取反找到一个与(0, 0)的距离相等但在反方向的点。围绕原点旋 转 180°可以得到同样的结果(见图 7)。
-1

图 7. 180°度旋转后的结果
当然,表面上看新的点好像是一个不同的阻抗,实际上 Z 和 1/Z 表示的是同一个元件。(在史密 斯圆图上,不同的值对应不同的点并具有不同的反射系数,依次类推)出现这种情况的原因是我 们的图形本身是一个阻抗图, 而新的点代表的是一个导纳。 因此在圆图上读出的数值单位是西门 子。 尽管用这种方法就可以进行转换,但是在解决很多并联元件电路的问题时仍不适用。
导纳圆图
在前面的讨论中,我们看到阻抗圆图上的每一个点都可以通过以 Γ 复平面原点为中心旋转 180° 后得到与之对应的导纳点。于是,将整个阻抗圆图旋转 180°就得到了导纳圆图。这种方法十分 方便,它使我们不用建立一个新图。所有圆周的交点(等电导圆和等电纳圆)自然出现在点(-1, 0)。 使用导纳圆图,使得添加并联元件变得很容易。在数学上,导纳圆图由下面的公式构造:
解这个方程:
接下来,令方程 3.3 的实部和虚部相等,我们得到两个新的独立的关系:

从等式 3.4,我们可以推导出下面的式子:
它也是复平面(Γr, Γi)上圆的参数方程(x - a)2 + (y - b)2 = R2 (方程 3.12),以[g/(g + 1), 0]为圆心, 半径为 1/(1 + g)。 从等式 3.5,我们可以推导出下面的式子:
同样得到(x - a)2 + (y - b)2 = R2型的参数方程(方程 3.17)。
求解等效阻抗
当解决同时存在串联和并联元件的混合电路时,可以使用同一个史密斯圆图,在需要进行从 z 到 y 或从 y 到 z 的转换时将图形旋转。 考虑图 8 所示网络(其中的元件以 Z0 = 50Ω 进行了归一化)。 串联电抗(x)对电感元件而言为正数, 对电容元件而言为负数。而电纳(b)对电容元件而言为正数,对电感元件而言为负数。

图 8. 一个多元件电路
这个电路需要进行简化(见图 9)。从最右边开始,有一个电阻和一个电感,数值都是 1,我们可 以在 r = 1 的圆周和 I=1 的圆周的交点处得到一个串联等效点, 即点 A。 下一个元件是并联元件, 我们转到导纳圆图(将整个平面旋转 180°),此时需要将前面的那个点变成导纳,记为 A'。现在 我们将平面旋转 180°, 于是我们在导纳模式下加入并联元件, 沿着电导圆逆时针方向(负值)移动 距离 0.3,得到点 B。然后又是一个串联元件。现在我们再回到阻抗圆图。
图 9. 将图 8 网络中的元件拆开进行分析
在返回阻抗圆图之前,还必需把刚才的点转换成阻抗(此前是导纳),变换之后得到的点记为 B', 用上述方法,将圆图旋转 180°回到阻抗模式。沿着电阻圆周移动距离 1.4 得到点 C 就增加了一 个串联元件, 注意是逆时针移动(负值)。 进行同样的操作可增加下一个元件(进行平面旋转变换到 导纳),沿着等电导圆顺时针方向(因为是正值)移动指定的距离(1.1)。这个点记为 D。最后,我们 回到阻抗模式增加最后一个元件(串联电感)。于是我们得到所需的值,z,位于 0.2 电阻圆和 0.5 电抗圆的交点。至此,得出 z = 0.2 + j0.5。如果系统的特性阻抗是 50Ω,有 Z = 10 + j25Ω (见 图 10)。

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图 10. 在史密斯圆图上画出的网络元件
逐步进行阻抗匹配
史密斯圆图的另一个用处是进行阻抗匹配。 这和找出一个已知网络的等效阻抗是相反的过程。 此 时,两端(通常是信号源和负载)阻抗是固定的,如图 11 所示。我们的目标是在两者之间插入一 个设计好的网络已达到合适的阻抗匹配。
图 11. 阻抗已知而元件未知的典型电路
初看起来好像并不比找到等效阻抗复杂。 但是问题在于有无限种元件的组合都可以使匹配网络具 有类似的效果,而且还需考虑其它因素(比如滤波器的结构类型、品质因数和有限的可选元件)。

实现这一目标的方法是在史密斯圆图上不断增加串联和并联元件、 直到得到我们想要的阻抗。 从 图形上看,就是找到一条途径来连接史密斯圆图上的点。同样,说明这种方法的最好办法是给出 一个实例。 我们的目标是在 60MHz 工作频率下匹配源阻抗(ZS)和负载阻抗(zL) (见图 11)。网络结构已经确 定为低通,L 型(也可以把问题看作是如何使负载转变成数值等于 ZS 的阻抗,即 ZS 复共轭)。下 面是解的过程:
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图 12. 图 11 的网络,将其对应的点画在史密斯圆图上
要做的第一件事是将各阻抗值归一化。如果没有给出特性阻抗,选择一个与负载/信号源的数值 在同一量级的阻抗值。假设 Z0 为 50Ω。于是 zS = 0.5 - j0.3, z*S = 0.5 + j0.3, ZL = 2 - j0.5。 下一步,在图上标出这两个点,A 代表 zL,D 代表 z*S 然后判别与负载连接的第一个元件(并联电容),先把 zL 转化为导纳,得到点 A'。 确定连接电容 C 后下一个点出现在圆弧上的位置。由于不知道 C 的值,所以我们不知道具体的 位置,然而我们确实知道移动的方向。并联的电容应该在导纳圆图上沿顺时针方向移动、直到找

到对应的数值,得到点 B (导纳)。下一个元件是串联元件,所以必需把 B 转换到阻抗平面上去, 得到 B'。B'必需和 D 位于同一个电阻圆上。从图形上看,从 A'到 D 只有一条路径,但是如果要 经过中间的 B 点(也就是 B'),就需要经过多次的尝试和检验。在找到点 B 和 B'后,我们就能够 测量 A'到 B 和 B'到 D 的弧长,前者就是 C 的归一化电纳值,后者为 L 的归一化电抗值。A'到 B 的弧长为 b = 0.78,则 B = 0.78 × Y0 = 0.0156S。因为 ωC = B,所以 C = B/ω = B/(2πf) = 0.0156/[2π(60 × 10 )] = 41.4pF。 B 到 D 的弧长为× = 1.2,于是 X = 1.2 × Z0 = 60Ω。 由 ωL = X,得 L = X/ω = X/(2πf)= 60/[2π(60 × 10 )] = 159nH。
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图 13. MAX2472 典型工作电路
第二个例子是 MAX2472 的输出匹配电路,匹配于 50Ω 负载阻抗(zL),工作品率为 900MHz (图 14 所示)。该网络采用与 MAX2472 数据资料相同的配置结构,上图给出了匹配网络,包括一个 并联电感和串联电容,以下给出了匹配网络元件值的查找过程。

图 14. 图 13 所示网络在史密斯圆 a 图上的相应工作点
首先将 S22 散射参数转换成等效的归一化源阻抗。MAX2472 的 Z0 为 50Ω,S22 = 0.81/-29.4°转 换成 zS = 1.4 - j3.2, zL = 1 和 zL* = 1。 下一步,在圆图上定位两个点,zS 标记为 A,zL*标记为 D。因为与信号源连接的是第一个元件 是并联电感,将源阻抗转换成导纳,得到点 A’。 确定连接电感 LMATCH 后下一个点所在的圆弧,由于不知道 LMATCH 的数值,因此不能确定圆弧终 止的位置。但是,我们了解连接 LMATCH 并将其转换成阻抗后,源阻抗应该位于 r = 1 的圆周上。 由此,串联电容后得到的阻抗应该为 z = 1 + j0。以原点为中心,在 r = 1 的圆上旋转 180°,反 射系数圆和等电纳圆的交点结合 A’点可以得到 B (导纳)。B 点对应的阻抗为 B’点。 找到 B 和 B'后,可以测量圆弧 A'B 以及圆弧 B'D 的长度,第一个测量值可以得到 LMATCH。电纳 的归一化值,第二个测量值得到 CMATCH 电抗的归一化值。圆弧 A'B 的测量值为 b = -0.575,B = -0.575 × Y0 = 0.0115S。因为 1/ωL = B,则 LMATCH = 1/Bω = 1/(B2πf) = 1/(0.01156 × 2 × π × 900 × 10 ) = 15.38nH,近似为 15nH。圆弧 B'D 的测量值为× = -2.81,X = -2.81 × Z0 = -140.5Ω。 因为-1/ωC = X,则 CMATCH = -1/Xω = -1/(X2πf) = -1/(-140.5 × 2 × π × 900 × 10 ) = 1.259pF,近 似为 1pF。 这些计算值没有考虑寄生电感和寄生电容, 所得到的数值接近与数据资料中给出的数 值: LMATCH = 12nH 和 CMATCH = 1pF。
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总结
在拥有功能强大的软件和高速、 高性能计算机的今天, 人们会怀疑在解决电路基本问题的时候是 否还需要这样一种基础和初级的方法。 实际上,一个真正的工程师不仅应该拥有理论知识,更应该具有利用各种资源解决问题的能力。 在程序中加入几个数字然后得出结果的确是件容易的事情, 当问题的解十分复杂、 并且不唯一时, 让计算机作这样的工作尤其方便。 然而, 如果能够理解计算机的工作平台所使用的基本理论和原 理,知道它们的由来,这样的工程师或设计者就能够成为更加全面和值得信赖的专家,得到的结 果也更加可靠。

天线匹配调试流程

PCB天线匹配调试流程(个人总结) 根据个人调试经验归纳总结调试天线匹配的步骤流程,仅供参考--ab。 步骤1、根据结构和PCB大小设计线圈圈数、线宽、圆方等设计PCB天线线圈。可以根据实际产品需求按照“附件1:非接触天线电感计算”的参数计算出大约的线圈电感和品质因数Q。 步骤2、按照步骤1设计出PCB的天线线圈,利用网络分析仪测试裸板的天线线圈实际的Q值,然后根据产品对Q值的需要进行并电阻调节Q值大小。 Q值计算和意义: ,f为谐振频率,R为负载电阻,L为回路电感,C为回路电容。 一般而言,Q越高,能量的传输越高,但是过高的Q值会影响读写器的带通特性,尤其是读写器本身频率点比较偏的时候,标签Q值过高,有可能会导致标签的频率点在读卡器的带通范围之外。一般设置Q值为20的时候带通特性和带宽都比较好。一般L和C的值由于要匹配谐振,不怎么好改动,因此要降低Q 可以通过并联一个电阻R来解决。所以在设计之初,需要尽量的让品质因数Q 留有余量,以便后期调试。如果设计太小Q值就不好往高调试了。 步骤3、针对AS3911芯片的匹配电路可以参考“附件2: AS3911_AN01_Antenna_Design_Gui”初步确定出EMC、matching电路。 天线匹配电路参考

步骤4、利用网络分析仪适当调整EMC、matching电路让天线谐振在,匹配10欧~50欧的电阻。根据AS3911文档推荐匹配20~30欧效率最高,如果考虑功耗等因素可以适当的匹配电阻变大,提高输入阻抗。 天线匹配意义: 在天线的LCR电路中产生谐振,使电路中呈现纯阻抗性,此时电路的阻抗模值最小。当电压V固定时,电流最大。 (1) 电路阻抗最小且为纯电阻。即Z=R+jXLjXC=R (2) 电路电流为最大。 (3) 电路功率因子为1。 (4) 电路平均功率最大。即P=I2R (5) 电路总虚功率为零。即QL=QCQT=QLQC=0 史密斯圆图图示 步骤5:可以根据史密斯圆图来调整匹配电路。目标:将与实数轴相交,交点就是谐振在的电路阻抗最小且呈纯阻性,此时电路的阻抗模值最小。当电压V固定时,电流最大。 可以根据"附件3:AS3911 Matching " 来调整史密斯圆图的参数。 如果想对射频理论知识感兴趣可以参考。《射频电路设计》

阻抗匹配基本认识

阻抗匹配基本認識 阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源,总是有内阻的(请参看输出阻抗一问),我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为:I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压为:Uo=IR=U×[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为: P=I2×R=(U/(R+r))2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2) =U2×R/((R-r)2+4×R×r) =U2/(((R-r)2/R)+4×r) 对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则 是由我们来选择的。注意式中((R-r)2/R),当R=r时,(R-r)2/R可 取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率 Pmax=U2/(4×r)。即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可 获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。 对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路。 当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需 要信号源与负载阻抗的的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共厄匹配。 Z=R+jX ﹐Z=R-jX 在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)。从以上分析我们可以得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。 有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。 在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即不匹配)时,在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法,牵涉到二阶偏微分方程的求解,在这里我们不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。 传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。 例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线,这在农村使用的电视天线架上比较常见,用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω,所以

射频阻抗匹配与史密斯_Smith_圆图:基本原理详解

阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图:基本原理
在处理 RF 系统的实际应用问题时,总会遇到一些非常困难的工作,对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下, 需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、 功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、 LNA/VCO 输出与混频器输入 之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。
在高频端,寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹 以上时,理论计算和仿真已经远远不能满足要求,为了得到适当的最终结果,还必须考虑在实验室中进行的 RF 测试、并进行适当调谐。 需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。
有很多种阻抗匹配的方法,包括
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计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配,所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的 格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外,除非计算机是专门为这个用途 制造的,否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。
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手工计算: 这是一种极其繁琐的方法,因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 经验: 只有在 RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之,它只适合于资深的专家。 史密斯圆图:本文要重点讨论的内容。
本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识,并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例,比如找出匹 配网络元件的数值。当然,史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络,还能帮助设计者优化噪声系数,确定品质因数的 影响以及进行稳定性分析。
图 1. 阻抗和史密斯圆图基础
基础知识
在介绍史密斯圆图的使用之前,最好回顾一下 RF 环境下(大于 100MHz) IC 连线的电磁波传播现象。这对 RS-485 传输线、PA 和天线之间 的连接、LNA 和下变频器/混频器之间的连接等应用都是有效的。

天线测试方法介绍

天线测试方法介绍 对天线与某个应用进行匹配需要进行精确的天线测量。天线工程师需要判断天线将如何工作,以便确定天线是否适合特定的应用。这意味着要采用天线方向图测量(APM)和硬件环内仿真(HiL)测量技术,在过去5年中,国防部门对这些技术的兴趣已经越来越浓厚。虽然有许多不同的方法来开展这些测量,但没有一种能适应各种场合的理想方法。例如,500MHz以下的低频天线通常是使用锥形微波暗室(anechoic chamber),这是20世纪60年代就出现的技术。遗憾的是,大多数现代天线测试工程师不熟悉这种非常经济的技术,也不完全理解该技术的局限性(特别是在高于1GHz的时候)。因此,他们无法发挥这种技术的最大效用。 随着对频率低至100MHz的天线测量的兴趣与日俱增,天线测试工程师理解各种天线测试方法(如锥形微波暗室)的优势和局限的重要性就愈加突出。在测试天线时,天线测试工程师通常需测量许多参数,如辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。用于测试天线方向图的技术之一是远场测试,使用这种技术时待测天线(AUT)安装在发射天线的远场范围内。其它技术包括近场和反射面测试。选用哪种天线测试场取决于待测的天线。 为更好地理解选择过程,可以考虑这种情况:典型的天线测量系统可以被分成两个独立的部分,即发射站和接收站。发射站由微波发射源、可选放大器、发射天线和连接接收站的通信链路组成。接收站由AUT、参考天线、接收机、本振(LO)信号源、射频下变频器、定位器、系统软件和计算机组成。 在传统的远场天线测试场中,发射和接收天线分别位于对方的远场处,两者通常隔得足够远以模拟想要的工作环境。AUT被距离足够远的源天线所照射,以便在AUT的电气孔径上产生接近平面的波阵面。远场测量可以在室内或室外测试场进行。室内测量通常是在微波暗室中进行。这种暗室有矩形的,也有锥形的,专门设计用来减少来自墙体、地板和天花板的反射(图1)。在矩形微波暗室中,采用一种墙面吸波材料来减少反射。在锥形微波暗室中,锥体形状被用来产生照射。 图1:这些是典型的室内直射式测量系统,图中分别为锥形(左)和矩形(右)测试场。

(完整版)阻抗匹配的研究

阻抗匹配的研究 在高速的设计中,阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。阻抗匹配的技术可以说是丰富多样,但是在具体的系统中怎样才 能比较合理的应用,需要衡量多个方面的因素。例如我们在系统中设计中,很多采用的都是源段的串连匹配。对于什么情况下需 要匹配,采用什么方式的匹配,为什么采用这种方式。 例如:差分的匹配多数采用终端的匹配;时钟采用源段匹配; 1、串联终端匹配 串联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下,在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R,使 源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配,抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射. 串联终端匹配后的信号传输具有以下特点: A 由于串联匹配电阻的作用,驱动信号传播时以其幅度的50%向负载端传播; B 信号在负载端的反射系数接近+1,因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50%。 C 反射信号与源端传播的信号叠加,使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同; D 负载端反射信号向源端传播,到达源端后被匹配电阻吸收;? E 反射信号到达源端后,源端驱动电流降为0,直到下一次信号传输。 相对并联匹配来说,串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动能力。 选择串联终端匹配电阻值的原则很简单,就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。理想的信 号驱动器的输出阻抗为零,实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗,而且在信号的电平发生变化时,输出阻抗可能不同。比如电 源电压为+4.5V的CMOS驱动器,在低电平时典型的输出阻抗为37?,在高电平时典型的输出阻抗为45?[4];TTL驱动器和CMOS驱动 一样,其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。因此,对TTL或CMOS电路来说,不可能有十分正确的匹配电阻,只能折中考

卫星天线的调试策略和技巧

卫星天线的调试策略和 技巧 标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]

浅谈地面卫星天线的调试方法和技巧 ——普陀区广电台张皓摘要:本文阐述了调试地面卫星天线中需要注意的各种要素、原则、方法和以及调试过程中的注意事项。 关键词:卫星天线搜星要素调整方法注意事项 随着卫星转发的广播电视节目和数据不断增多,各电视台下行接收设施也越来越多,而且由于各种原因导致传输原节目的卫星轨道经常变化,因此地面卫星接收站也需要不断调整天线方向来对准卫星,以保证正常收视。 一、地面站搜星要素 搜索卫星一般要注意四个要素:仰角、方位角、极化和焦距。 仰角:指卫星地面站的天线主瓣波束轴线对准卫星的连线与其在地平面的投影夹角,常用EL表示。 方位角:指当以地理正北为零度,按顺时针方向参考时,天线波束主瓣轴瞄准卫星的连线的投影线与正北方向线的夹角,常用AZ来表示。 极化:指电磁波在传播过程中的电场矢量方向和幅度随时间变化的特性,一般包括左旋、右旋圆极化及水平、垂直线极化四种极化方式,我国卫星接收信号通常采用水平、垂直线极化波。地卫站天线的极化方式一定要与所接收的卫星下行信号的极化方式一致即极化匹配,才能保证接收质量达到规定的标准,否则将影响信号的正常接收及质量。 焦距是指卫星接收天线对接收信号反射后信号汇聚最强的位置点。 二、常用计算公式与调星原则 地面站方位角、仰角是卫星接收天线指向的两个重要数据,馈源极化角ρ、焦距f是卫星接收天线调整中另外两个不容忽视的参数。四个参数可由以下卫星天线定位经验计算公式获得,实际应用中我们一般以Az的大小与正负来确定方位角。

阻抗匹配问题

说明:信号源输出阻抗一般都为50ohm ,信号源面板显示的输出信号幅度,频率是图2处信号的幅度,频率。 (1)若负载输入阻抗为50ohm ,则信号源输出与负载输入匹配,则负载获得的信号幅度,频率与2处的电压幅度理论上一致。 (2)若负载输入阻抗为1Mohm ,则信号源输出与负载输入不匹配,则负载获得的信号幅度,频率与1处的电压幅度理论上一致。 ◆ 纯电阻电路:低频和高频都存在;(匹配) 1、 负载电阻R 电压:1 1l i i R U U U r R r R = =++;负载电阻越大,则负载获得的电压越高。 2、 负载R 电流:i l U i R r = +;负载越小,则负载获得的电流越小。 3、 负载获得的功率:2 22222//24l i l i i U U R r P i R U R U R r R R r R r ????====++≤ ? ?+???? ;当且 仅当R=r 时;负载功率最大。 ◆ 存在容性和感性阻抗时,(共轭匹配) 共轭匹配:当交流电路中含有容性或感性阻抗时,若信号源与负载阻抗的实部相等,虚 部互为相反数,此时负载获得最大功率。 源电抗:r r Z r jX =+

负载电抗:R R Z R jX =+ 负载功率: ()() ()()()()22 22 22222 142R r R r R r R r U R U U U P r R r X X R r X X r X X R r X X R R R R = ==≤??+++??+++++++++ ????? 当且仅当R r R r X X =??=-?时,负载获得最大功率。 结论: 1、需要大的电流输出,则选择小的负载R ; 2、需要大的电压输出,则选择大的负载R ; 3、需要输出最大功率,则选择与信号源内阻匹配的电阻R 。(功率传递!) 低频时,信号的波长相对与传输线来说很长,传输线可以看成短线,反射可以不考虑。 高频时,f c λ=;信号频率很高时,信号的波长就很短,当波长和传输线的长度可以比拟时,反射信号叠加在原来信号上将会改变原信号的形状。例:传输线的特性阻抗跟负载阻抗不匹配时,在负载端就产生反射,能量传输不过去,降低效率,功率发射不出去,甚至会顺坏发射设备。 当信号源和传输线、负载的阻抗相互匹配时候,有更多的能量从信号源中发射出来!!! 问题:、25kHz~80kHz 用示波器50ohm 输入阻抗实测,为何信号源输出和示波器显示信号的幅度不一致?(据说这种射频源有些频段幅度不准,建议下次问问罗德斯瓦茨做源的代理)

阻抗匹配

阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图: 基本原理 本文利用史密斯圆图作为RF 阻抗匹配的设计指南。文中给出了反射系数、阻抗和导 纳的作图范例,并用作图法设计了一个频率为60MHz 的匹配网络。 实践证明:史密斯圆图仍然是计算传输线阻抗的基本工具。 在处理RF 系统的实际应用问题时,总会遇到一些非常困难的工作,对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下,需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大 器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。 在高频端,寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预 知的影响。频率在数十兆赫兹以上时,理论计算和仿真已经远远不能满足要求,为了得到适当的最终结果,还必须考虑在实验室中进行的RF 测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。 有很多种阻抗匹配的方法,包括: ? 计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配,所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外,除非计算机是专门为这个用途制造的,否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。 ? 手工计算: 这是一种极其繁琐的方法,因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 ? 经验: 只有在RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之,它只适合于资深的专家。 ? 史密斯圆图: 本文要重点讨论的内容。 本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识,并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例,比如找出匹配网络元件的数值。当然,史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络,还能帮助设计者优化噪声系数,确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。 w w w . p c b t e c h .n e t

如何调试卫星天线角度介绍

如何调试卫星天线角度介绍 1、卫星转发器 卫星转发器,是这样的设备,接收地面发射站发来的14GHz或6GHz的微弱的上行电视信号,经频率变换(一次变频、二次变频)为不同的下行频率12GHz或4GHz,再由技术处理放大到一定功率向地球发射,有卫星电视接收设备接收。每一路音视频和数据通道都是由一个卫星转发器进行接收处理然后再传输,每一个转发器所处理的信号都有一个中心频率及一个特定的带宽,目前卫星转发器主要使用L、S、C、Ku和Ka频段。 2、水平极化、垂直极化 极化通常是指与电波传播方向垂直的平面内,瞬时电场矢量的方向。在极化波中,以地平线为准,当极化方向与地面平行时,称为水平极化。当极化方向与地面垂直时,称为垂直极化。 3、卫星天线 卫星天线的作用是收集由卫星传来的微弱信号,并尽可能去除杂讯。大多数天线通常是抛物面状的,也有一些多焦点天线是由球面和抛物面组合而成。卫星信号通过抛物面天线的反射后集中到它的焦点处。 4、馈源 馈源的主要功能是将天线收集的信号聚集送给高频头(LNB),馈源在

接收系统中的作用是非常重要的。 馈源的种类 锥形馈源 环形馈源 圆锥馈源 梯状馈源 6、LNB高频头 高频头(Low Noise Block)即下行解频器,其功能是将由馈源传送的卫星经过放大和下变频,把Ku或C波段信号变成L波段,经同轴电缆传送给卫星接收机。 调试过程 由于一般用户都没有场强仪等专用设备,因此本文将介绍的是如何使用指南针、量角器等常用设备寻星。 器材准备:卫星天线、高频头(馈源一体化)、卫星接收机、电视机、指南针、量角器以及连接线若干。 计算寻星所需参数 对于固定式天线系统,需要根据天线所在地的经纬度及所要接收卫星的经度计算出天线的方位角和仰角,并以此角度调整天线使其对准相应的卫星。

同轴线的阻抗为什么一般为或欧详解

什么是典型的电缆阻抗? 同轴电缆使用的最典型阻抗值为50欧姆和75欧姆。50欧姆同轴电缆大概是使用中最常见的,一般使用在无线电发射接收器,实验室设备,以太等环境下。 另一种常用的电缆类型是75欧姆的同轴电缆,一般用在视频传输,有限电视网络,天线馈线,长途电讯应用等场合。 电报和电话使用的裸露平行导线也是典型的阻抗为600欧姆。一对线径标准22的双绞线,使用合适的绝缘体,因为机械加工的限制,平均阻抗大约在120欧姆左右,这是另一种具有自己特有特性阻抗的传输线。 某些天线系统中使用300欧姆的双引线,以匹配折合半波阵子在自由空间阻抗。(但当折合阵子处于八木天线中的时候,阻抗通常会下降很多,一般在100-200欧姆左右) (注:加反射板也会改变阵子的阻抗值,一般会降低,而且反射板越近则阻抗降低越多。) 为什么是50欧姆的同轴电缆? 在美国,用作射频功率传输的标准同轴电缆的阻抗几乎无一例外地都是50欧姆。为什么选用这个数值,在伯德电子公司出示的一篇论文中有解释。 不的的参数都对应一个最佳的阻抗值。内外导体直径比为 1.65时导线有最大功率传输能力,对应阻抗为30欧姆(注:lg1.65*138 =30欧姆,要使用空气为绝缘介质,因为这个时候介电常数最小,

如果使用介电常数为2.3的固体聚乙烯,则阻抗只有不到20欧姆)。最合适电压渗透的直径比为2.7,对应阻抗大约是60欧姆。(顺带一提,这个是很多欧洲国家使用的标准阻抗) 当发生击穿时,对功率传输能力的考量是忽略了渗透电流的,而在阻抗很低,30欧姆时,渗透电流会很高。衰减只源自导体的损失,此时的衰减大约比最小衰减阻抗(直径比3.5911)77欧姆的时候上升了50%,而在这个比率下(D/d=3.5911),最大功率的上限为3 0欧姆电缆最大功率的一半。 以前,很少使用微波功率,电缆也无法应付大容量传输。因此减少衰减是最重要的因素,导致了选择77(75欧姆)为标准。同时也确立了硬件的规格。当低耗的绝缘材料在实际中应用到柔性电缆上,电缆的尺寸规格必须保持不变,才能和现存的设备接口吻合。 聚乙烯的介电常数为2.3,以空气(介电常数为1)为绝缘层的导线的阻抗为77欧姆,如果以聚乙烯来填充绝缘空间的话,阻抗将减少为51欧姆。虽然精确的标准是50欧姆,51欧姆的电缆在今天仍然在使用。 在77欧姆点的衰减最小,60欧姆点的击穿电压为最大,而30欧姆点的功率输送量是最大的。(注:洋人的思维也如此混乱,这些性能指标明明不是由阻抗决定的。前面说过,这些由D/d比决定的。闲扯这些只让人产生误解) 另外一个可以导致50欧姆同轴电缆的事情,如果您使用一个合适直径的中心导体,并将绝缘体注入中心倒替周围,再在外围装上屏

运算放大器经典问题解析

运算放大器经典问题解析 1.一般反相/同相放大电路中都会有一个平衡电阻,这个平衡电阻的作用是什么呢? (1) 为芯片内部的晶体管提供一个合适的静态偏置。 芯片内部的电路通常都是直接耦合的,它能够自动调节静态工作点,但是,如果某个输入引脚被直接接到了电源或者地,它的自动调节功能就不正常了,因为芯片内部的晶体管无法抬高地线的电压,也无法拉低电源的电压,这就导致芯片不能满足虚短、虚断的条件,电路需要另外分析。 (2)消除静态基极电流对输出电压的影响,大小应与两输入端外界直流通路的等效电阻值平衡,这也是其得名的原因。 2.同相比例运算放大器,在反馈电阻上并一个电容的作用是什么? (1)反馈电阻并电容形成一个高通滤波器, 局部高频率放大特别厉害。 (2)防止自激。 3.运算放大器同相放大电路如果不接平衡电阻有什么后果? (1)烧毁运算放大器,有可能损坏运放,电阻能起到分压的作用。 4.在运算放大器输入端上拉电容,下拉电阻能起到什么作用? (1)是为了获得正反馈和负反馈的问题,这要看具体连接。比如我把现在输入电压信号,输出电压信号,再在输出端取出一根线连到输

入段,那么由于上面的那个电阻,部分输出信号通过该电阻后获得一个电压值,对输入的电压进行分流,使得输入电压变小,这就是一个负反馈。因为信号源输出的信号总是不变的,通过负反馈可以对输出的信号进行矫正。 5.运算放大器接成积分器,在积分电容的两端并联电阻RF 的作用是什么? (1) 泄放电阻,用于防止输出电压失控。 6.为什么一般都在运算放大器输入端串联电阻和电容? (1)如果你熟悉运算放大器的内部电路的话,你会知道,不论什么运算放大器都是由几个几个晶体管或是MOS 管组成。在没有外接元件的情况下,运算放大器就是个比较器,同相端电压高的时候,会输出近似于正电压的电平,反之也一样……但这样运放似乎没有什么太大的用处,只有在外接电路的时候,构成反馈形式,才会使运放有放大,翻转等功能…… 7.运算放大器同相放大电路如果平衡电阻不对有什么后果? (1)同相反相端不平衡,输入为0 时也会有输出,输入信号时输出值总比理论输出值大(或小)一个固定的数。 (2)输入偏置电流引起的误差不能被消除。 8.理想集成运算放大器的放大倍数是多少输入阻抗是多少其同相输入端和反相输入端之间的电压是多少? (1) 放大倍数是无穷大,输入阻抗是无穷小,同向输入和反向输入之间电压几乎相同(不是0哦!!!比如同向端为10V,反向端为

天线测试方法介绍

天线测试方法介绍 来源:Vince Rodriguez公司 对天线与某个应用进行匹配需要进行精确的天线测量。天线工程师需要判断天线将如何工作,以便确定天线是否适合特定的应用。这意味着要采用天线方向图测量(APM)和硬件环内仿真(HiL)测量技术,在过去5年中,国防部门对这些技术的兴趣已经越来越浓厚。虽然有许多不同的方法来开展这些测量,但没有一种能适应各种场合的理想方法。例如,500MHz 以下的低频天线通常是使用锥形微波暗室(anechoic chamber),这是20世纪60年代就出现的技术。遗憾的是,大多数现代天线测试工程师不熟悉这种非常经济的技术,也不完全理解该技术的局限性(特别是在高于1GHz的时候)。因此,他们无法发挥这种技术的最大效用。 随着对频率低至100MHz的天线测量的兴趣与日俱增,天线测试工程师理解各种天线测试方法(如锥形微波暗室)的优势和局限的重要性就愈加突出。在测试天线时,天线测试工程师通常需测量许多参数,如辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。用于测试天线方向图的技术之一是远场测试,使用这种技术时待测天线(AUT)安装在发射天线的远场范围内。其它技术包括近场和反射面测试。选用哪种天线测试场取决于待测的天线。 为更好地理解选择过程,可以考虑这种情况:典型的天线测量系统可以被分成两个独立的部分,即发射站和接收站。发射站由微波发射源、可选放大器、发射天线和连接接收站的通信链路组成。接收站由AUT、参考天线、接收机、本振(LO)信号源、射频下变频器、定位器、系统软件和计算机组成。 在传统的远场天线测试场中,发射和接收天线分别位于对方的远场处,两者通常隔得足够远以模拟想要的工作环境。AUT被距离足够远的源天线所照射,以便在AUT的电气孔径上产生接近平面的波阵面。远场测量可以在室内或室外测试场进行。室内测量通常是在微波暗室中进行。这种暗室有矩形的,也有锥形的,专门设计用来减少来自墙体、地板和天花板的反射(图1)。在矩形微波暗室中,采用一种墙面吸波材料来减少反射。在锥形微波暗室中,锥体形状被用来产生照射。

传输线阻抗匹配方法

传输线阻抗匹配方法 匹配阻抗的端接有多种方式,包括并联终端匹配、串联终端匹配、戴维南终端匹配、AC终端匹配、肖特基二极管终端匹配。 1.并联终端匹配 并联终端匹配是最简单的终端匹配技术,通过一个电阻R将传输线的末端接到地或者接到V CC上。电阻R的值必须同传输线的特征阻抗Z0匹配,以消除信号的反射。终端匹配到V CC可以提高驱动器的源的驱动能力,而终端匹配到地则可以提高电流的吸收能力。 并联终端匹配技术突出的优点就是这种类型终端匹配技术的设计和应用简便易行,在这种终端匹配技术中仅需要一个额外的元器件;这种技术的缺点在于终端匹配电阻会带来直流功率消耗。另外并联终端匹配技术也会使信号的逻辑高输出电平的情况退化。将TTL输出终端匹配到地会降低V OH的电平值,从而降低了接收器输入端对噪声的免疫能力。 对长走线进行并联终端匹配后仿真,波形如下: 2.串联终端匹配 串联终端匹配技术是在驱动器输出端和信号线之间串联一个电阻,是一种源

端的终端匹配技术。驱动器输出阻抗R0以及电阻R值的和必须同信号线的特征阻抗Z0匹配。对于这种类型的终端匹配技术,由于信号会在传输线、串联匹配电阻以及驱动器的阻抗之间实现信号电压的分配,因而加在信号线上的电压实际只有一半的信号电压。 而在接收端,由于信号线阻抗和接收器阻抗的不匹配,通常情况下,接收器的输入阻抗更高,因而会导致大约同样幅度值信号的反射,称之为附加的信号波形。因而接收器会马上看到全部的信号电压(附加信号和反射信号之和),而附加的信号电压会向驱动端传递。然而不会出现进一步的信号反射,这是因为串联的匹配电阻在接收器端实现了反射信号的终端匹配。 串联终端匹配技术的优点是这种匹配技术仅仅为系统中的每一个驱动器增加一个电阻元件,而且相对于其它的电阻类型终端匹配技术来说,串联终端匹配技术中匹配电阻的功耗是最小的,而且串联终端匹配技术不会给驱动器增加任何额外的直流负载,也不会在信号线与地之间引入额外的阻抗。 由于许多的驱动器都是非线性的驱动器,驱动器的输出阻抗随着器件逻辑状态的变化而变化,从而导致串联匹配电阻的合理选择更加复杂。所以,很难应用某一个简单的设计公式为串联匹配电阻来选择一个最合适的值。 对长走线进行串联终端匹配后仿真,波形如下: 3.戴维南终端匹配

陶瓷(微带)天线调试方法

▲L 2007.05.30 陶瓷天線微調手則 目前GPS 業界最常使用的陶瓷天線有兩種,分別為偏心饋入式及中心饋入式陶瓷天線,這兩種形式的天線是以饋入點位置作區別,所謂的偏心饋入其饋入點位置在陶瓷天線正中心偏一角的對角線上 ( 如Fig-1所示),而中心饋入式天線其饋入位置並非在其正中心,它是在正中心往上移 一點的位置(如Fig-2所示)。 因GPS 衛星為所使用的發射天線為右旋圓極化 (RHCP) 天線,為使待接收的GPS 裝置能順利接收衛星訊號,因此通常在設計接收天線時會使用相同的右旋極化結構來設計,如Fig-1(a) 、Fig-2(a)皆為右旋極化結構。左旋極化結構如Fig-1(b)、Fig-2(b)所示。 (a) RHCP (b) LHCP Fig-1,偏心饋入式陶瓷天線 (a) RHCP (b) LHCP

■ 偏心饋入式陶瓷天線 Fig-3 此饋入方式是藉由兩互相垂直的模態 (Lx 及Ly) 其共振長度的些微差異 (Lx ≠ Ly) 所形成圓極化輻射波,若Lx > Ly,此為右旋圓極化天線(RHCP antenna);反之,若Lx < Ly,則為左旋圓極化天線(LHCP antenna)。因GPS天線需設計為RHCP ,所以Lx > Ly,故Lx為低頻模態( f L),Ly為高頻模態( f H)。如圖Fig-4 所示,由Return Loss可看出其兩模態位置,f L 頻率為marker-2,f H 頻率為marker-3,其圓極化中心頻率為marker-1,須特別注意圓極化中心頻率為Smith Chart 兩模態所相交的尖點,並非Return Loss的最低點。而微調的方式可分為削邊、挖槽縫及截角三種方式,其操作方式如下敘述。 H f L

PCB阻抗值因素与计算方法

PCB阻抗设计及计算简介

特性阻抗的定义 ?何谓特性阻抗(Characteristic Impedance,Z0) ?电子设备传输信号线中,其高频信号在传输线中传播时所遇到的阻力称之为特性阻抗;包括阻抗、容抗、感抗等,已不再只是简单直流电的“欧姆电阻”。 ?阻抗在显示电子电路,元件和元件材料的特色上是最重要的参数.阻抗(Z)一般定义为:一装置或电路在提供某特定频率的交流电(AC)时所遭遇的总阻力. ?简单的说,在具有电阻、电感和电容的电路里,对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。

设计阻抗的目的 ?随着信号传送速度迅猛的提高和高频电路的广泛应用,对印刷电路板也提出了更高的要求。印刷电路板提供的电路 性能必须能够使信号在传输过程中不发生反射现象,信号 保持完整,降低传输损耗,起到匹配阻抗的作用,这样才 能得到完整、可靠、精确、无干扰、噪音的传输信号。?阻抗匹配在高频设计中是很重要的,阻抗匹配与否关系到信号的质量优劣。而阻抗匹配的目的主要在于传输线上所有 高频的微波信号皆能到达负载点,不会有信号反射回源点。

设计阻抗的目的 ?因此,在有高频信号传输的PCB板中,特性阻抗的控制是尤为重要的。 ?当选定板材类型和完成高频线路或高速数字线路的PCB 设计之后,则特性阻抗值已确定,但是真正要做到预计的特性阻抗或实际控制在预计的特性阻抗值的范围内,只有通过PCB生产加工过程的管理与控制才能达到。

PCB的制造中影响阻抗的因素 ?从PCB制造的角度来讲,影响阻抗和关键因素主要有: –线宽(w) –线距(s)、 –线厚(t)、 –介质厚度(h) –介质常数(Dk) εr相对电容率(原俗称Dk介质常数),白容生对此有研究和专门诠释。 注:其实阻焊也对阻抗有影响,只是由于阻焊层贴在介质上,导致介电常数增大,将此归于介电常数的影响,阻抗值会相应减 少4%

运算放大电路实验报告

实验报告 课程名称:电子电路设计与仿真 实验名称:集成运算放大器的运用 班级:计算机18-4班 姓名:祁金文 学号:5011214406

实验目的 1.通过实验,进一步理解集成运算放大器线性应用电路的特点。 2.掌握集成运算放大器基本线性应用电路的设计方法。 3.了解限幅放大器的转移特性以及转移特性曲线的绘制方法。 集成运算放大器放大电路概述 集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件,它以半导 体单晶硅为芯片,采用专门的制造工艺,把晶体管、场效应管、 二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路 制作在一起,使之具有特定的功能。集成放大电路最初多用于各 种模拟信号的运算(如比例、求和、求差、积分、微分……)上, 故被称为运算放大电路,简称集成运放。集成运放广泛用于模拟 信号的处理和产生电路之中,因其高性价能地价位,在大多数情 况下,已经取代了分立元件放大电路。 反相比例放大电路 输入输出关系: i o V R R V 12-=i R o V R R V R R V 1 212)1(-+=

输入电阻:Ri=R1 反相比例运算电路 反相加法运算电路 反相比例放大电路仿真电路图

压输入输出波形图 同相比例放大电路 输入输出关系: i o V R R V )1(12+=R o V R R V R R V 1 2i 12)1(-+=

输入电阻:Ri=∞ 输出电阻:Ro=0 同相比例放大电路仿真电路图 电压输入输出波形图

差动放大电路电路图 差动放大电路仿真电路图 五:实验步骤: 1.反相比例运算电路 (1)设计一个反相放大器,Au=-5V,Rf=10KΩ,供电电压为±12V。

RFID天线安装与调试实训报告

实训报告 姓名学号 系部 专业物联网应用技术 班级 _ 指导教师 实训名称天线安装与调试 完成时间: 2013年月日 目录

1 物联网常用天线简介 (3) 2 物联网天线常见参数 (3) 3 物联网常用器件安装测量记录及分析 (4) 4 标签天线制作及测量分析 (13) 参考文献 (15) 1 物联网常用天线简介

物联网(The Internet of things)的定义: 通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就是“物物相连的互联网”。 天线的基本功能: 将由发射机(或传输线)送来的高频电流(或导波)能量转变为无线电波并传送到空间;在接收端,则将空间传来的无线电波能量转变为向接收机传送的高频电流能量,因此,天线可认为是导波和辐射波的变换装置,是一个能量转换器。 天线种类: 首先按天线用途分:可分为基地台天线和移动台天线 (1) 按天线的辐射方向可划分:可为全向天线和定向天线 (2) 按工作性质划分:可分为接收天线和发射天线 (3) 按天线的极化方向分还分为水平极化天线及垂直极化天线 (4) 按频率分类:长波天线,中波天线,短波天线,超短波天线,微波天线 2 物联网天线常见参数 (1)天线的增益:天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是选择基站天线最重要的参数之一。 (2)带宽:这也是一个重要但容易被忽略的问题。天线是有一定带宽的,这意味着虽然谐振频率是一个频率点,但是在这个频率点附近一定范围内,这付天线的性能都是差不多好的。这个范围就是带宽。 (3)输入阻抗:天线输入端信号电压与信号电流之比,称为天线的输入阻抗。 (4)反射系数(Г): 反射电压/入射电压,为标量。

怎样理解阻抗匹配,很难得的资料

怎样理解阻抗匹配 阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。 我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源,总是有内阻的(请参看输出阻抗一问),我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为:I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压为:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R 越大,则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为:P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2) =U2×R/[(R-r)2+4×R×r] =U2/{[(R-r)2/R]+4×r} 对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配。在低频电路中,我们一般不考虑传输线的

匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是"短线",反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)。从以上分析我们可以得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。 在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即不匹配)时,在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法,牵涉到二阶偏微分方程的求解,在这里我们不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。 例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线,这在农村使用的电视天线架上

基于AD620芯片的运算放大器

基于AD620芯片的运算放大器 一、设计要求及目的 设计一个简单的运算放大电路,信号输入有效频率2KHz以下,放大倍数250-300之间。为抑制随机噪声,信号放大后再经过一个简单一阶RC低通滤波器,在不损坏有效信号的同时,最大限度滤除噪声。 二、放大电路介绍 放大电路是指增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为。它的核心是电子,如、晶体管等。为了实现放大,必须给放大器提供能量。常用的能源是,但有的放大器也利用作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给。输入信号的作用是控制这种转移,使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代中,电信号的产生、发送、接收、变换和处理,几乎都以放大电路为基础。20世纪初,真空的发明和电的实现,标志着电子学发展到一个新的阶段。2040年代末的问世,特别是60年代的问世,加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。 现代使用最广的是以晶体管(或场效应晶体管)放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大,常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管,如功率三极管或四极管、、速调管、行波管以及正交场放大管等。 三、AD620芯片介绍 AD620是一款低成本、高精度仪表放大器,仅需要一个外部电阻来设置增益,增益范围为1至10000。此外,AD620引脚图采用8引脚SOIC和DIP封装,尺寸小于分立式设计,并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA),因此非常适合电

池供电的便携式(或远程)应用。AD620具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 μV)和低失调漂移(最大0.6 μV/°C)特性,是和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性,使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。 由于其输入级采用Superβeta处理,因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/√Hz的低输入电压噪声,在0.1 Hz至10 Hz 内的噪声为0.28μV峰峰值,输入电流噪声为0.1 pA/√Hz,因而作为前置放大器使用效果很好。同时,AD620的0.01%建立时间为15μs,非常适合多路复用应用;而且成本很低,足以实现每通道一个仪表放大器的设计。 AD620 由传统的三运算放大器发展而成, 但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计, 如电源范围宽(±2. 3~±18 V ) , 设计体积小, 功耗非常低(最大供电电流仅1. 3 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用场合。AD620 的单片结构和激光晶体调整, 允许电路元件紧密匹配和跟踪, 从而保证电路固有的高性能。AD620 为三运放集成的仪表放大器结构, 为保护增益控制的高精度, 其输入端的三极管提供简单的差分双极输入, 并采用β工艺获得更低的输入偏置电流, 通过输入级内部运放的反馈, 保持输入三极管的电流恒定, 并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620 的两个内部增益电阻为 24.7KΩ, 因而增益方程式为 G =49.4 KΩ/RG + 1 对于所需的增益, 则外部控制电阻值为 RG =49.4/(G - 1)kΩ AD620的引脚图如图一所示:

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