摘要：在通信手段和通信技术快速发展的今天，电子通信系统的工作频率不断提高，已经达到了GHz或更高频段。如何有效进行网络端口的选择降低噪声系数以及如何保证信号在射频通信电路中的高传输效率、高功率容量及低传输衰减，匹配网络起着至关重要的作用。
关键词：射频电路；匹配网路；噪声系统
引言：在射频电路设计中，为了保证传输最大的信号能量，减少回波对信号质量和可用功率的影响，匹配网络设计是必须要考虑的重要问题。基于此，在接下来的文章中，将围绕射频电路中匹配网络的选择和噪声系数的优化方面展开详细分析。
1、传输线理论及传输线工作状态
射频通信系统中信号频率高，波长短，通常定义几何长度大于或等于信号波长的传输线为长线传输，需要用传输线理论来分析。传输线理论是分布参数理论，可以将均匀的传输线等效成多个小于传输信号波长的微元组成，成，等效电路如图1所示，图中分布电阻、电感、电导和电容分别为R、L、G和C。
图1传输线的分布电路模型
1.1、传输线的工作状态
当负载与传输线特性阻抗相等，即时，终端负载反射。在这种情况下，入射波到达终端负载的能量全部被负载吸收，没有反射现象，沿传输线只有行波，这就是行波工作状态。当负载短路、开路或为纯电抗时，即或，与之相应的终端反射系数的模|ΓL|=1。在这种情况下传输线不传输能量，输入信号到达终端后能量全部被反射回去，反射波与入射波振幅相等相互叠加，称为驻波工作状态。终端短路和开路的情况下输入阻抗都是纯电抗，可以用一段适当长度的短路线或开路线来表示任意纯电抗值，在匹配网络设计中有重要应用。当负载为一般阻抗，且。此时终端负载反射系数的模0＜|ΓL|＜1，在这种情况下终端负载对入射波即有吸收也有反射，在传输线上叠加的结果是既有行波成分，也有驻波成分，因此称为行驻波工作状态。
1.2、传输线阻抗匹配的形式
传输线是用来传输功率和信息的，由于来自失配负载和连接处的反射都将导致传输信息的失真和传输功率的减少，这就要求负载与传输线相匹配，以使传输线反射系数接近为零。通常用到的阻抗匹配有三种，即负载阻抗匹配、波源阻抗匹配和共轭阻抗匹配。当负载阻抗与传输线的特性阻抗相等称为负载阻抗匹配。这时ZL=Z0，传输线工作在行波状态，负载反射系数为零且吸收全部入射功率。这种情况下传输线的效率最高，功率容量最大，且传输线任意点的输入阻抗都呈纯电阻性，大小不会随频率变化。当信号源的内阻与传输线的特性阻抗相等称为波源阻抗匹配。此时ZS=Z0，信号源为匹配源。若负载不匹配，负载引起的反射波会被信号源内阻完全吸收，不再产生二次反射，因此匹配源输出的入射波不随负载而变化，这样可以减少测量误差。当负载阻抗不匹配，传输线任一截面上输入阻抗与信号源内阻互为共轭值时，称为共轭阻抗匹配。此时，信号源输出功率最大。在射频电路匹配网络设计中，通常希望三种匹配同时实现，但一般情况下，很难同时满足。实际应用中考虑最基本、最重要的阻抗匹配是负载阻抗匹配，使传输线工作于行波状态。
1.3、阻抗匹配的方法
首先，集总参数元件匹配网络的设计。在射频电路频率不是特别高时需要采用分立元件来组成匹配网络。常用的匹配电路有双元件L型匹配网络和三元件T型或π型匹配网络。其中双元件L型匹配网络包括电阻性和电抗性L型节匹配电路。电阻性匹配电路对频率不敏感可适用于宽带应用，但电阻会消耗掉部分信号功率，对信噪比产生不良影响;电抗性匹配电路的功率耗散为零，但是匹配与频率有关；T型和π型匹配网络可以在设计时调整匹配网络的带宽，增加了设计的灵活性。另外，单电抗性元件或短截线匹配网络当无耗传输线的终端阻抗为ZL时，其反射系数的幅值保持恒定，当观察点从负载移开时，在某一点归一化输入阻抗的实部会变成1。在这一点串联或并联单一电抗性元件或一段传输线的短截线可以消除反射信号并在这一点后使反射系数为0。
2、匹配网络的理论基础
匹配网络实际上是一个阻抗变换网络。尽管各种匹配网络的电路结构不同,但其根本上都是解决两个不同阻抗网络之间的匹配问题.来达到使所有高频微波信号均能传至后续电路网络,而不会有信号反射回源电路网络,从而提高能源效益。根据最大功率传输定理,要获得信号源端到负载端的最大传输功率,需要满足信号源阻抗与负载阻抗互为共轨的条件。若电路为纯电阻电路，而此定理表现在高频电路上,则是表示无反射波,即反射系数为O。值得注意的是,要得到最佳效率的能量传输并不需要负载匹配,此条件只是避免能量从负载端到信号源端形成反射的必要条件。
3、匹配网络的选择
首先,从最简单的着手,不同的匹配网络,其所用的电容和电感值不同,在某些情况下,所需的匹配值可能特别小。这些电感、电容暂且不说市面上能否购买到,即使能购买到,也会由于匹配网络对其容值、感值太过于敏感(标称值由于工艺制作原因稍稍偏差一点就可能失配严重)而无法实现。其次,应该考虑频率响应。由于任何匹配网络中都存在有电容或电感,因而,我们可以根据它们的频率响应来归类于高通、低通或带通滤波器,从而判断是否符合实际应用场合,以及由此得出的网络带宽的宽窄(可以用有载品质因数来描述),是否符合应用场合的需求。例如:当设计宽带放大器时,我们需要降低匹配网络的品质因数以便增加其带宽。而设计振荡器时.则需要提高匹配网络的品质因数,以便抑制输出信号中的有害载波。总体来说,L型匹配网络的品质因数我们无法控制,只能选择接受或放弃它,而T型和n型匹配网络的品质因数都有一个可调范围,我们可以用它来调整带宽。但必须注意的是,降低品质因数并不能无限制地增加网络的带宽,带宽还受到给定的输入、输出阻抗的限制。再次,如果窄带射频电路中选用了L型匹配网络,应该特别注意它存在匹配禁区,无法在任意负载阻抗和源阻抗之间实现预期的匹配。即应选择恰当的L型匹配网络以避开其匹配禁区最后,匹配网络尽管可能会是按相同的谐振频率设计的,但是某一匹配网络结构可能会具有更好的高频或低频抑制特性。因而可以根据这方面的设计需求来进行选取。
4、基于ADS的软件设计与仿真
ADS软件由美国电阻性L型节匹配电路安捷伦公司开发，支持从模块到系统的设计与仿真，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件。在ADS软件中可以利用史密斯圆图工具方便、快捷地实现L型和T型匹配网络的设计和仿真；也可以用设计向导来实现单支节、双支节或λ/4阻抗匹配网络的设计和仿真；还可以利用阻抗匹配工具设计符合宽带宽等技术指标的匹配网络[1]。
5、匹配网络噪声系数的优化
对于任一双端口网络,噪声系数用于度量信号经过网络传输后增加的噪声,对于任何一个实际电路,输出端的信噪比都要劣于输入端的信噪比。然而，在大多数电路设计中，每个双端口网络产生的噪声都能够通过合理的选择工作点和源端阻抗来尽可能地降低。对于每个双端口网络来说,都存在最佳噪声系数,因而可以根据产品数据资料中给定的最佳源阻抗或最佳源反射系数,用之前介绍过的匹配网络的实现方法完成匹配。
结论
简而言之，在射频通信系统中，阻抗匹配电路设计非常重要，它关系到系统的传输效率、功率容量和工作稳定性，还有微波测量的系统误差和测量精度，以及微波元器件的质量等一系列问题。利用本文给出的匹配网络设计方法可以方便地实现阻抗匹配电路的设计和仿真[2]。
参考文献：
[1]李良.无源UHFRFID应答器天线及射频匹配网络设计[D].天津:天津大学，2018．
[2]刘峰.UHF频段RFID天线与射频匹配电路研究[D].广州:中山大学，2017．
论文作者:刘晴晴
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：阻抗论文; 传输线论文; 网络论文; 负载论文; 反射论文; 电路论文; 射频论文; 《电力设备》2018年第19期论文;