天线匹配电路的仿真讨论

只看该作者 · 2024-12-29 16:11

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做天线设计的时候，当两个阻抗不一样的电路连接到一起的时候，就很容易造成反射，因此就需要进行阻抗匹配。不仅layout走线需要50欧姆阻抗设计，还需要专门预留阻容感的匹配电路，如下图电路所示。其中电阻也可能是电感，电容之类的器件

这其中匹配电路的设计，芯片模组厂商会直接在硬件指导手册给出参考设计，我们做应用的时候就直接借鉴，很少做修改的。即使给出的参数，在实际射频产品中的性能指标不能满足满足，这个时候会直接把电路板寄给芯片厂商，他们帮忙调试完成后，就阻容感参数再次固定，我们修改BOM，就将天线相关的匹配电路设计完成。
如果不了解芯片厂商的调试匹配电路过程，那么做产品是被动的接收。
芯片厂商一般是这样调试的：
首先要断开无线射频模块,从断开处连接同轴线，随后再连接到网络分析仪。
随后将并联的器件空贴，串联的器件贴0欧姆电阻。
此时在网络分析仪的史密斯图上，就能识别到天线无匹配电路时候的原始阻抗。
下图标红的位置，就是网络分析仪的天线原始阻抗。

随后就调整匹配电路的电容电感等参数，将史密斯圆图上的阻抗调整位50欧姆，从而实现阻抗匹配。
匹配电阻的参数选择，也是有方法的。可以先借助仿真工具。
比如下图使用Smith V2.01小工具，
先根据网络分析仪测试无匹配电路，天线的原始阻抗大概位置。
然后利用仿真工具找到原始阻抗位于1点，通过先串电容，再并联电感的方式，就可以到达中心50欧姆阻抗点。
从而完成匹配电路的设计

随后按照仿真电路的给出的参数，在电路板上焊接电感和电容的参数。然后不断微调参数，完成50欧姆阻抗匹配后，可以将天线的驻波比VSWR在天线工作频率@2.4GHz处低于2.0。
由于layout走线是按照50欧姆阻抗设计，但是天线的原始阻抗不一定是50欧姆。如果直接把天线和layout走线连接到一起，送入无线射频模块。就会出现阻抗不匹配的现象。
新增加的匹配电路的参数设计过程，实际上是又加入了一段传输线，从而实现天线+匹配电路的50欧姆阻抗。
这种匹配电路的设计理念是四分之一波长阻抗变换器。然后利用阻抗变换公式，实现阻抗匹配。这种计算过程很复杂，在工程应用也很麻烦。所以这个时候，只需要使用Smith V2.01小工具，就能很轻松的实现匹配电路的参数确定。
至于到底是串联电感，还是并联电容的设计过程。
也是有技巧的：
史密斯圆图的上半部分呈感性，下半部分呈容性
将上半圆和下半圆一份为二的直线是纯电阻线
串联电感，就沿阻抗圆顺时针转动，感值大，影响越大
串联电容，就沿阻抗圆逆时针转动，容值小，影响越大
并联电感，就沿导纳圆逆时针转动，感值小，影响越大
并联电容，就沿导纳圆顺时针转动，容值大，影响越大
串联电感或并联电容相同值对低频影响比高频小
串联电容或并联电感相同值对低频影响比高频大
有了这些技巧，再加上仿真软件用几次就很熟悉了

随后和芯片厂商讨论匹配电路的时候，就知道为什么要这样设计电路。而且根据史密斯圆图的变化路径，就知道匹配电路不仅仅是只有一种的，可以串电感并电容，也可以串电容并电容，最后都能实现50欧姆的阻抗。但是路径越长，尽管最后的阻抗是50欧姆，但是在驻波比，插损值会变差，所以阻抗变化的路径越短越好。
当然天线设计工程师会使用专门的天线仿真软件，比如HFSS，ADS之类的。
下图是ADS软件进行阻抗匹配的原理图，输入源和负载都不是标准的50欧姆，需要进行LC阻抗匹配的

这种专门的前仿软件更加方便，只需要把输入源和负载参数设定后，就可以自动得到响应的LC匹配电路。相比Smith V2.01这种免安装的小软件更加便捷性能。

通过对LC匹配电路基本仿真的了解后，就可以和芯片厂商讨论匹配电路是否是最优的，是否还可以优化，在结构设计的时候需要如何避免对天线的影响，提升设计效率。

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