PCB阻抗设计匹配的理想模型及方法

什么是阻抗

在电学中，常把对电路中电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗单位为欧姆，常用Z表示，是一个复数：

Z= R+i( ωL–1/(ωC))

具体说来阻抗可分为两个部分，电阻（实部）和电抗（虚部）。

其中电抗又包括容抗和感抗，由电容引起的电流阻碍称为容抗，由电感引起的电流阻碍称为感抗。

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阻抗匹配的理想模型

射频工程师大都遇到过匹配阻抗的问题，通俗的讲，阻抗匹配的目的是确保能实现信号或能量从“信号源”到“负载”的有效传送。

其最最理想模型当然是希望Source端的输出阻抗为50欧姆，传输线的阻抗为50欧姆，Load端的输入阻抗也是50欧姆，一路50欧姆下去，这是最理想的。

然而实际情况是：源端阻抗不会是50ohm，负载端阻抗也不会是50ohm，这个时候就需要若干个阻抗匹配电路。

而匹配电路就是由电感和电容所构成，这个时候我们就需要使用电容和电感来进行阻抗匹配电路调试，以达到RF性能最优。

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阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有两个，一是改变阻抗力，二是调整传输线。

改变阻抗力就是通过电容、电感与负载的串并联调整负载阻抗值，以达到源和负载阻抗匹配。

调整传输线是加长源和负载间的距离，配合电容和电感把阻抗力调整为零。

此时信号不会发生发射，能量都能被负载吸收。

高速PCB布线中，一般把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆。一般规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线（差分）为85-100欧姆。

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Smith圆图在RF匹配电路调试中的应用

Smith圆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，噪声系数，增益，稳定因子，功率，效率，频率信息等抗等参数。

是不是一脸懵，我们还是来看阻抗圆图吧：

阻抗圆图的构图原理是利用输入阻抗与电压反射系数之间的一一对应关系，将归一化输入阻抗表示在反射系数极坐标系中，其特点归纳如下：

上半圆阻抗为感抗，下半圆阻抗为容抗；

实轴为纯电阻，单位圆为纯电抗；

实轴的右半轴皆为电压波腹点（除开路点），左半轴皆为电压波节点（除短路点）；

匹配点（1，0），开路点（∞，∞）和短路点（0，0）；

两个特殊圆:最大的为纯电抗圆，与虚轴相切的为匹配圆；

两个旋转方向:逆时针转为向负载移动，顺时针转为向波源移动。

导纳圆图与阻抗圆图互为中心对称，同一张圆图，即可以当作阻抗圆图来用，也可以当作导纳圆图来用，但是在进行每一次操作时，若作为阻抗圆图用则不能作为导纳圆图。

Smith圆图中，能表示出一些很有意思的特征：

在负载之前串联或并联一个可变电感/电容，电路图如下图左侧4个图所示，将得到Smith圆图上右侧的几条曲线。

对应Smith阻抗圆及导纳圆，其运动轨迹如下：

使用Smith阻抗圆时，串联电感顺时针转，串联电容逆时针转；

使用Smith导纳圆时，并联电感，逆时针转，并联电容顺时针转。

编辑：黄飞