学习射频电源匹配器
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了解为什么使用匹配网络以及它们是如何设计的。
回到第 3 章，我们讨论了特性阻抗、传输线和阻抗匹配。我们知道传输线具有特性阻抗，并且我们知道该阻抗是射频电路中的一个重要因素，因为阻抗必须匹配以防止驻波并确保功率从源到负载的有效传输。即使我们不需要将特定导体视为传输线，我们仍然需要匹配源阻抗和负载阻抗。
同样在第 3 章中，我们看到通过使用标准化阻抗值（最常见的是 50 Ω）可以大大简化阻抗匹配。制造商针对 50 Ω 输入和输出设计其组件或互连，在许多情况下，工程师无需采取任何特定措来实现匹配阻抗。
然而，有些情况下阻抗匹配需要额外的电路。例如，考虑由功率放大器 (PA) 和天线组成的 RF 发射器。制造商可以将 PA 设计为 50 Ω 输出阻抗，但天线的阻抗会根据其物理特性以及周围材料的特性而变化。
此外，天线的阻抗相对于信号频率不是恒定的。因此，制造商可以设计一种在特定频率下具有 50 Ω 阻抗的天线，但如果您在不同频率下使用天线，则可能会出现严重的失配。下图摘自用于 2.4–2.5 GHz 系统的陶瓷表面贴装天线的数据表。该曲线对应于反射功率与入射功率的比率。您可以看到，随着信号频率远离 2.45 GHz，阻抗匹配的质量迅速恶化。
取自此数据表的情节。
匹配网络
如果您的 RF 电路包含不具有匹配阻抗的组件，您有两种选择：修改其中一个组件，或添加纠正不匹配的电路。如今，第一种选择通常不切实际；通过物理修改集成电路或制造的同轴电缆来调整阻抗确实很困难。不过，幸运的是，第二种选择就足够了。附加电路称为匹配网络或阻抗变换器。这两个名称都有助于理解基本概念：匹配网络通过转换源和负载之间的阻抗关系来实现适当的阻抗匹配。
匹配网络的设计并不是特别简单，我们不会在像这本这样的教科书中深入讨论。尽管如此，我们还是可以考虑一些基本原则，我们还将看一个相当简单的示例。以下是一些需要牢记的要点：
匹配网络连接在源和负载之间，其电路通常设计为将几乎所有功率传输到负载，同时呈现等于源输出阻抗的复共轭的输入阻抗。或者，您可以将匹配网络视为转换源的输出阻抗，使其等于负载阻抗的复共轭。
（在实际电路中，源阻抗通常没有虚部，因此我们不需要总是参考复共轭。我们可以简单地说负载阻抗必须等于源阻抗，因为复共轭不是当阻抗是纯实数时 t 相关。）
典型的匹配网络（称为“无损”网络）仅使用无功元件，即储存能量而不是耗散能量的元件。该特性自然地遵循匹配网络的目的，即实现从源到负载的最大功率传输。如果匹配网络包含耗散能量的组件，它会消耗一些我们试图提供给负载的功率。因此，匹配网络使用电容器和电感器，而不是电阻器。
设计宽带匹配网络很困难。当我们记得匹配网络是由电抗元件组成时，这就不足为奇了：电感器和电容器的阻抗取决于频率；因此，改变通过匹配网络的信号频率会导致其效率降低。
L网络
最直接的匹配网络拓扑称为 L 网络。这是指由两个电容器、两个电感器或一个电容器和一个电感器组成的八个不同的 L 形电路。下图显示了八个 L 网络配置：
L网络简单有效，但不适合宽带应用。我们还必须记住，电感器和电容器在高频下表现出严重的非理想行为（如第 1 章第 4 页所述），因此当频率攀升至千兆赫兹范围时，L 网络的行为将更难预测。
理解基于源阻抗和负载阻抗手动计算匹配网络值所涉及的概念当然很有价值，尽管在计算器工具可以轻松完成此任务的时代，这更像是一种学术或智力练习。我们不会在这里通过计算示例，但我们将使用模拟来探索匹配网络的效果。
一个例子
假设源阻抗为 50 Ω，天线阻抗为 200 Ω，工作频率为 100 MHz。我们将使用一个 L 网络，该网络由一个电感器和一个电容器组成：
AAC 的L 网络设计工具为电感器和电容器提供了以下值：138 nH 和 13.8 pF。这意味着我们的阻抗匹配电路如下所示：
为评估匹配网络的功效，我们可以运行仿真，然后绘制负载两端的电压除以流入负载的电流，等于输入阻抗。（在这种情况下，流入负载的电流是通过电感器 L1 的电流。）交流分析特别有用，因为我们可以看到匹配网络的影响如何随频率变化。下图是针对频率范围为 10 MHz 至 190 MHz（即匹配网络设计频率上下 90 MHz）的仿真。以下是结果：
如您所见，在 100 MHz 时，负载与 50 Ω 源阻抗非常匹配，尽管原始负载的阻抗为 200 Ω。但是，我们上面说了 L 网络不是宽带拓扑，仿真肯定证实了这一点：随着信号频率远离 100 MHz，输入阻抗会迅速变化。
概括
匹配网络也称为阻抗变换器，用于在源和负载之间（例如，功率放大器和天线之间）创建匹配阻抗。
无损匹配网络仅由电抗元件组成；避免使用电阻元件，因为它们会耗散功率，而匹配网络旨在促进功率从源到负载的传输。
一种简单的窄带匹配网络拓扑是 L 网络。它由两个反应组件组成。
计算器工具可用于根据源阻抗、负载阻抗和信号频率快速设计匹配网络。