天线设计工程师入门：阻抗匹配

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小天线的工作环境往往很恶劣，当环境变化时，反射到天线中的电抗成分也随之变化，从而引起天线的失谐、失配，因此在小天线设计中要考虑选择合适的匹配电路，进行阻抗匹配。

什么是阻抗匹配？

在天线的调试中，我们经常听到阻抗匹配这个名词，但是它到底是什么，在实际中是怎么运用的？希望通过这节的讲解，能让大家有个了解。

阻抗匹配在高频设计中是一个常用的概念，是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

阻抗=电阻+电抗

阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抵抗电流的作用。电容、电感的电抗分别称作电容抗和电感抗，简称容抗和感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆，其值的大小和交流电的频率有关系。
       感抗：X_L=ωL=2πfL
当ω=0时，X_L=0；电感的作用：“通直流、阻交流”或者“通低频，阻高频”
       容抗：Xc＝1/ωC=1／(2πfC)
当ω=0时，X_L=∞；电容的作用：“通交流、阻直流”或者“通高频，阻低频”
频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。
此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成分时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成分相等，电抗成分只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。

阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuit matching），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching）。

高速 PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。这是个大约的数字，一般规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线则为100欧姆，只是取个整而已，为了匹配方便.

什么是史密斯圆图（Smith Chat）？

目前有很多种阻抗匹配的方法，包括:
• 计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。

• 手工计算: 这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。

• 经验: 只有在RF领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之，它只适合于资深的专家。

史密斯圆图: 本文要重点讨论的内容。

因为本文重点介绍使用，所以关于原理方面在这不做详述，有兴趣的同学可以自行学习。Smith图上可以反映出如下信息：阻抗参数Z，导纳参数Y，品质因子Q，反射系数，驻波系数，Snn散射参数，噪声系数，增益，稳定因子，功率，效率，频率信息等抗、驻波比、品质因数等参数。先来了解下，Smith的一些特征必须牢记的知识：

利用矢量网络分析仪调试电小天线的匹配调试，在实际操作时要注意哪些细节呢？

1.相位的校准。在制作治具时，我们会引入一段同轴线，在调试时，就需要把这段线长校准到系统里面去，避免线长带来的相位误差。

2.我们希望反射系数的绝对值小于1/2（驻波比小于3），即反射系数落入史密斯圆图的蓝色区域中（如下图）