射频天线设计-窄带阻抗匹配电路设计
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一、天线带宽的概念
带宽:带宽是对于通信或数据信号占用的频谱空间量的度量。
天线上表示天线工作频率变化时,天线电参数在变化的程度在允许的范围内,此时所对应的频率范围称为带宽。
通常表示为信号幅度相对于中心频率处的幅度标称下降3dB处的频率之间的差值,即3dB带宽。这些频率点代表幅度对频率函数的半功率点。
此外还有必要带宽,即指有效传输和接收通信或数据信号通常所需的最小频谱空间。
定义天线的最高工作频率为fh,最低工作频率为fl,中心频率为fc,则:
绝对带宽:(满足天线电参数要求的)最高频率-最低频率。
相对带宽:(最高频率-最低频率)/(天线工作的)中心频率。
倍频带宽:最高频率/最低频率。
根据带宽的不同,可以把天线分为窄带天线、宽带天线和超宽带天线。窄带与宽带的定义是相对的,没有明显的划分。
FCC在定义UWB时将NB、WB、UWB做了简单的划分可作参考:
上表可以看出,一般相对带宽≤1%的称为窄带天线,同时参考很多文献的不同定义,我们通常认为:
相对带宽<10%的称为窄带天线,10%~25%的称为宽带天线,大于25%的称为超宽带天线。
二、匹配电路的概念
关于阻抗匹配的知识请查阅《射频&天线设计-阻抗匹配》。
阻抗匹配电路的主要作用是实现阻抗变换,目标是要把源阻抗变换到设计要求的阻抗点上:
- 天线设计:把源阻抗变换到50Ω阻抗上;
- 最大功率传输:把源阻抗变换到负载阻抗的共轭阻抗上。
窄带匹配电路设计时,一般只需满足在中心频点处实现阻抗匹配即可,并且窄带匹配电路的匹配元件个数一般≤3个,匹配电路通常为L型、π型或T型。
三、L型匹配电路
匹配电路设计时串并联L、C元件在Smith圆图中的变化规律请查阅《射频&天线设计-Smith圆图》:
L型匹配电路有8种(SCPL、SCPC、SLPC、SLPL、PCSL、PCSC、PLSC、PLSL)拓扑结构:
为了便于观察8种拓扑结构在Smith里面的变化轨迹,使用Smith圆图分别标记(方法可参见《射频&天线设计-Smith应用实例》)源阻抗点Zs=25±j43,我们的目标是将Zs变换到Z0=50Ω处:
经过实验,我们可以看出实现同一个匹配网络结果最多有四种拓扑方式:
但不同的拓扑结构的频响特性(低通、高通、带通)会有差异,工程师需要根据实际设计去选择合适的结构;如PCSL为低通网络,SCPL为高通网络,SCPC为带通网络。
四、Π型匹配电路
L型匹配电路只有两个元件,而Π型匹配电路有3个元件。Π型匹配电路的8中拓扑结构如下:
在选定电路拓扑结构之后要达到要求的阻抗匹配,L型匹配电路元件值是固定的,因此设计的灵活性不足。而π型匹配电路实现同一个阻抗匹配网络可以灵活选择电路元件值:
此外选择适当的π型匹配电路可以有效增加天线带宽,具体证明实例在后面的文章可以实际看到。
五、T型匹配电路
T型匹配电路和Π型匹配电路类似,只不过是“T”字型形状所以叫T型,适用性需要根据具体电路而定:
六、匹配电路设计总结
匹配电路的元件值的选取要参考《射频&天线设计-阻抗匹配》。
窄带匹配电路设计时,一般只需满足在中心频点处实现阻抗匹配即可,并且窄带匹配电路的匹配元件个数一般≤3个,匹配电路通常为L型、π型或T型。
设计天线匹配电路之初就需要预留好π型匹配电路,便于天线前期与后期的调试优化。
对于天线匹配电路设计,主要考虑带宽因素。
对于射频电路或器件的匹配电路设计,除了考虑带宽因素外,还要考虑选择的拓扑结构是否可以兼做电路隔直电容和射频扼流圈。
对于物联网模组,如在家电上的应用;通常都是设计成一个个小模块方便后期应用到各种产品上。
这样做的好处是标准化程度高,且可以规避频繁做SRRC、FCC等认证的时间、费用与风险,使新产品快速上市。
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