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37Ω，在高电平时典型的输出阻抗为45Ω[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，只能折中考虑。

链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配，所有的负载必须接到传输线的末端。

否则，接到传输线中间的负载接受到的波形就会象图 3.2.5中C 点的电压波形一样。

可以看出，有一段时间负载端信号幅度为原始信号幅度的一半。

显然这时候信号处在不定逻辑状态，信号的噪声容限很低。

串联匹配是最常用的终端匹配方法。

它的优点是功耗小，不会给驱动器带来额外的直流负载，也不会在信号和地之间引入额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。

2、并联终端匹配并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。

实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。

并联终端匹配后的信号传输具有以下特点：A 驱动信号近似以满幅度沿传输线传播；B 所有的反射都被匹配电阻吸收；C 负载端接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同。

在实际的电路系统中，芯片的输入阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。

假定传输线的特征阻抗为50Ω，则R值为50Ω。

如果信号的高电平为5V，则信号的静态电流将达到100mA。

由于典型的TTL或CMOS电路的驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路中。

双电阻形式的并联匹配，也被称作戴维南终端匹配，要求的电流驱动能力比单电阻形式小。

这是因为两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相匹配，每个电阻都比传输线的特征阻抗大。

考虑到芯片的驱动能力，两个电阻值的选择必须遵循三个原则：⑴．两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相等；⑵．与电源连接的电阻值不能太小，以免信号为低电平时驱动电流过大；⑶．与地连接的电阻值不能太小，以免信号为高电平时驱动电流过大。

并联终端匹配优点是简单易行；显而易见的缺点是会带来直流功耗：单电阻方式的直流功耗与信号的占空比紧密相关？；双电阻方式则无论信号是高电平还是低电平都有直流功耗。

因而不适用于电池供电系统等对功耗要求高的系统。

另外，单电阻方式由于驱动能力问题在一般的TTL、CMOS系统中没有应用，而双电阻方式需要两个元件，这就对PCB的板面积提出了要求，因此不适合用于高密度印刷电路板。

当然还有：AC终端匹配；基于二极管的电压钳位等匹配方式理论上讲,分三种,而实际应用上分很多种.方式不一样，目的是一至的。

为最大功率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1 引言gsm手机不论是在研发、生产还是在维修中，有四项rf电气指标肯定是必须测量的，中有三项是发射指标，即：射频输出功率、频率误差、相位误差，还有一项是接收指标即灵敏度。

相位误差(pe)是一项非常重要的指标。

在欧洲gsm的电信标准中规定：pe的峰值不得大于20度、有效值不得大于5度。

当pe 指标有问题时，轻则会影响话音质量(失真度变大或有咯咯声)、严重时则会使手机脱离gsm服务网。

2 pe的定义要想提高某项指标的水平，首先是必须了解那一项指标的定义。

pe的定义是：它是指i路(同相)与q路(正交)之间的相位平衡度(phase balance)，换句话说即是：i与q之间的正交性误差(quadrature error)。

若某一时刻pe 的采样点设为pe (j)，根据欧洲电信标准gsm11．10则有：max {pe (j)} ≤20ºrms {pe (j) } = {∑nj =1pe2 (j)/n}1/2 ≤5º ,j＝1，2，3，… n，n≥294 (1)gsm手机综测仪在测量和计算pe时，采样时间一般取当前的10个突发(burst)长度(一个burst长度等于 577微秒)。

3 减小pe的方法3．1 发射部分的方案考虑目前主要有两种方案：一种是上变频方案；另一种是0ffset频率方案。

这两种方案的差别在于rf已调信号的形成方法：前者是通过传统的由if到rf 的频谱搬迁，而后者则是通过增加一个if pll，用其输出来控制一个专用的发射vc0，从而达到实现rf调制信号的目的。

从性能来看，后一方案的频率误差和pe较小；从电路的复杂程度来看，前一方案简单；从综合的性能价格比来看，后一方案具有优势，故现在绝大多数的手机都采用offset频率方案，这有利于减小频率误差和pe。

详细的方案可参阅有关的技术文献，在此不再进一步地说明。

3．2 频率合成器参考频率fr的选择θ=ωt , dθ=t•dω+ω•dt , ω=2πf从上式可以看出：在频率误差dω相同的情况下，降低频率有利于减小dθ，因而可减小pe。

手机的fr有两种选择：13mhz或26mhz，从减小pe的角度来考虑，选13mhz为好。