射频电路的基础知识介绍

陈RQING 2019-09-27 22802

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描述

　　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

　　射频电路

　　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。

　　射频电路

　　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

　　射频电路

　　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：

　　射频电路

　　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或电感器，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

　　射频电路

　　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

　　射频电路

　　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。

　　射频电路

　　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

　　射频电路

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