****源與天線的阻抗匹配

在通訊系統(tǒng)中，為了讓****源的傳導(dǎo)功率通過(guò)天線最大化的輻射到自由空間，就要保證****源的輸出阻抗與天線的阻抗共軛匹配。所以阻抗的匹配度在通訊系統(tǒng)中非常重要，不但會(huì)影響能量的傳輸效率，如果匹配不好，會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，甚至?xí)龤г骷?。怎么樣?shí)現(xiàn)****源與天線之間的阻抗匹配呢？

1、什么是天線阻抗匹配

阻抗是天線的一個(gè)重要的參數(shù)，阻抗 Z = R + j ( XL – XC ) 。其中 R 為電阻，XL 為感抗，XC 為容抗。如果( XL–XC) > 0，稱為“感性負(fù)載”；反之，如果( XL – XC ) < 0 稱為“容性負(fù)載”。

天線阻抗由天線的物理結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸、材料、材料、使用環(huán)境等）決定，高頻信號(hào)被饋送到天線，大部分能量從天線輻射出去，另外一部分將被反射回****源。反射波在傳輸線上形成“駐波”（參考前面關(guān)于駐波的推文）

（圖一）

當(dāng)****源阻抗（通常為 50Ω）等于負(fù)載阻抗（即天線）時(shí)，反射最小。因此，為了減少這些反射和最終的損失率，負(fù)載阻抗應(yīng)等于****源阻抗。

（圖二）

天線阻抗匹配（調(diào)諧）即是將天線阻抗與****源阻抗匹配的過(guò)程。如果天線已經(jīng)具有與電源阻抗相等的阻抗，則不需要進(jìn)行調(diào)諧。

2、天線為什么要阻抗匹配

天線是無(wú)線通訊系統(tǒng)中物理層上發(fā)送和接收信號(hào)的“第一道門”，是其極為重要的組成部分，如果天線與****源之間阻抗匹配。不但可以增加工作范圍，也有助于降低無(wú)線設(shè)備的功耗。

首先需要的是一臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，本文以安捷倫 E5071C 為例，理論聯(lián)系實(shí)踐--如何進(jìn)行天線阻抗匹配。每一步都有一個(gè)使用實(shí)例，說(shuō)明如調(diào)試天線與****源之間的阻抗匹配。

1、阻抗匹配治具制作注意事項(xiàng)：

一般天線與****源連接是通過(guò)放置在 PCB 上的連接器（ SMA、I-PEX 等），天線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離周圍的金屬部件，因?yàn)榻饘俨考赡軙?huì)導(dǎo)致天線參數(shù)發(fā)生變化。將天線連接到源的饋線應(yīng)等于源阻抗，因?yàn)轲伨€構(gòu)成連接天線的傳輸線的一部分。為了匹配目的，應(yīng)該在天線放置之前（如果需要匹配天線）添加π網(wǎng)絡(luò)，如圖三所示：

（圖三）

為了測(cè)試天線端口的輸入阻抗，需要引入測(cè)試同軸饋線，采用質(zhì)量好、長(zhǎng)度短的同軸饋線，如圖所示，將電纜焊接在 PCB 上。測(cè)試同軸饋線應(yīng)在微帶線開始點(diǎn)之前焊接（ PCB 上連接天線的微帶線實(shí)際上是饋電天線的傳輸線的一部分）。

匹配所用的分離器件必須為高 Q 值、高精度的電容電感，不然引入的損耗會(huì)增大。矢量網(wǎng)分校準(zhǔn)：可以參考 E5071C 的校準(zhǔn)說(shuō)明，需要注意的是，校準(zhǔn)時(shí)候需要考慮引入測(cè)試的同軸線纜會(huì)增加相位延遲，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。

2、初始天線阻抗匹配測(cè)試

完成矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)后，π 型匹配網(wǎng)絡(luò)只串聯(lián) 0Ω 電阻，將天線放置在真實(shí)的使用環(huán)境中（如外殼），在需要使用的頻段內(nèi)查看VSWR，VSWR ＜2.0就足夠了。這是因?yàn)楫?dāng) VSWR 為 2.0時(shí)，傳輸?shù)教炀€的總功率只有11.1%被反射回來(lái)。這意味著89.9%的總功率是通過(guò)天線傳輸?shù)?。?VSWR 為1.5時(shí)，4%的總功率被反射，96%的功率通過(guò)天線傳輸。傳輸功率89.9%與96%無(wú)顯著差異。如果天線在使用的頻段內(nèi)VSWR不滿足小于2.0，則一般不需要對(duì)天線進(jìn)行阻抗調(diào)試。反之，則需要對(duì)天線阻抗進(jìn)行調(diào)整。

舉個(gè)頻段NB-IoT（824-960MHz；1710-2170MHz）天線阻抗匹配實(shí)例：

因?yàn)橐骖欕p頻，多頻，必須非常了解元件對(duì)高低頻的不同影響。最好用軟件多實(shí)驗(yàn)一下，對(duì)各元件值可能拉動(dòng)多少低頻、高頻有一個(gè)直觀的了解：

1、并電感調(diào)低頻：一般18---6.8nH，更大電感時(shí)，調(diào)不動(dòng)，更小電感時(shí)需同時(shí)考慮對(duì)高頻的影響。

2、串電容調(diào)低頻：一般12---2.7pF，更大電容時(shí)，調(diào)不動(dòng)，更小電容時(shí)則調(diào)得太多。

3、串電感調(diào)高頻：一般串0--4.7nH，再大一些就會(huì)調(diào)得太多，損耗太大。

匹配前分析：

低頻850頻段不好，主調(diào)低頻匹配；低頻的阻抗圓分成兩部分來(lái)分析，紅色一段頻率更低，在下面一段。綠色部分頻率高一些，在上面一段。

第一步：并一個(gè)電感，則這兩段都會(huì)沿著導(dǎo)納圓向上，但對(duì)于同一個(gè)電感，明顯頻率偏低的一段走得快。

第二步：再串一個(gè)電容，兩者都沿阻抗圓向下，且紅色偏低頻的一段走得更快。這就進(jìn)一步把低頻阻抗圈壓得更扁

經(jīng)過(guò)第二步之后，阻抗曲線變?yōu)榧t色偏低頻一段在下面，綠色偏高頻的一段在上。

第三步：并電感。道理跟第一步是一樣的。

經(jīng)過(guò)了這三步的阻抗變換之后，匹配帶寬會(huì)大大增加。

左圖是匹配前，右圖為匹配后（并8.2nH,串3.3pF,并9.1nH），見(jiàn)圖四

（圖四）

匹配前、匹配后VSWR對(duì)比,見(jiàn)圖五：

（圖五）

對(duì)于調(diào)高頻的π型匹配，也可以用同樣類似地分析，只不過(guò)須把電容電感互易。