阻抗匹配和调谐

阻抗匹配技术无法匹敌孔径调谐技术（ApertureTuning）作者：Rashid Osmani & Lars Johnsson, Cavendish Kinetics 全球LTE智能手机的出货量、网络配置以及频谱分配如今迅猛增长，而3GPP电信标准组织也已为LTE标准分配超过40个频段。

随着用户数和通信量的负荷持续加重，诸如AT&T(美)和Verizon(美)的主要电信商开始采用LTE-Advanced 载波聚合(Carrier Aggregation)技术以提升网络的速度和容量。

3GPP现今已确定愈60种频带组合，其中包括频带内和频带间聚合。

正因如此，智能手机需要优化技术以适应持续增加的频谱分配方案和载波聚合的可能性。

对手机内的LTE射频而言，这意味着射频必须能够“调”这些频带当中的任何一个，而这进一步要求该天线需要在所有频带上保持高效率表现。

但是说得容易做得难，天线效率的设计远远难过设定要求。

在手机生产史的早期，天线是信号射频系统设计师最后考虑的问题。

早期手机体积大，数据率低，加上全球只有4个频带。

这些因素确保早期手机的高信号性能表现不成问题。

而快进到2015年，随着而大屏幕和大电池则成为主流，手机已经演进为精密的智能手机。

原设备制造商逐渐采用多种天线调谐技术以确保LTE在多频带上的信号表现。

图1：手机的演进及相应的天线效率LTE射频最关键的是射频前端(RFFE)，包括天线及模拟数据处理。

RFFE中的功率放大器，滤波器以及电源转化器经设计能够在50欧—天线馈端(天线和RFFE连接处)的目标阻抗—以最高效率运作。

天线馈端的天线阻抗取决于天线的类型。

而移动设备生产中应用最广泛的是双波段PIFA天线。

在谐振频率中，天线的馈电点阻抗为纯电阻(PIFA天线大约90Ω ，偶极子天线约72Ω ，而单极子天线约36 Ω ) 。

为了最大限度地提高辐射效率，利用简单的固定匹配电路能将天线的阻抗匹配为50 Ω，借此提高输入天线功率的辐射。

阻抗匹配方法
1. 什么是阻抗匹配
阻抗匹配是一种用来匹配电气设备输出阻抗与它的负载阻抗的
技术。

在电气系统中，将负载与大功率的源连接时，必须使大功率源的输出阻抗与负载的阻抗相匹配，二者之间的匹配被称为“阻抗匹配”，阻抗匹配技术使电路可以将最大的功率输出到负载中，使得系统正常运行，达到预期的效果。

2. 阻抗匹配的目的
能够有效地将电气信号从源端传输到负载端，以获得较好的信号传递质量，确保系统有效地工作，减少噪声，以及防止系统损坏。

3. 如何匹配阻抗
（1）使用具有非常低的阻抗值（2）使用可调节的阻抗变压器（3）使用改变负载电阻的装置（4）使用特殊的变压器，如：带有阻抗变
化因子的变压器（5）使用带有阻抗变化因子的网络变压器（双臂变
压器）（6）使用可调谐的特殊线圈（7）使用电容，电感或晶体管组
成的混合电路。

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天线匹配原理天线匹配是指调谐电路与天线之间的匹配。

在无线通信系统中，天线的匹配性能直接影响着系统的传输效果。

一个好的天线匹配可以提高信号的传输效率，减小回波损耗，改善传输质量。

而一个不良的天线匹配则会导致信号的衰减和失真，降低通信质量。

天线匹配的原理主要包括阻抗匹配和频率匹配两个方面。

阻抗匹配是指调谐电路与天线之间的阻抗相互匹配，使其阻抗值相等或相近，以实现最大功率传输。

频率匹配是指调谐电路与天线之间的频率相互匹配，使其在特定频率下具有最佳的传输性能。

在天线匹配过程中，需要考虑的因素有很多。

首先是天线的类型和特性，不同类型的天线在匹配上会有不同的要求。

其次是工作频率的选择，不同频率下的天线匹配也会有所不同。

此外，还需要考虑天线与调谐电路之间的连接方式和传输线的特性等因素。

天线匹配可以采用多种方法来实现。

常见的方法包括使用天线调谐器、天线匹配网络、天线馈电点的设计等。

天线调谐器是一种能够改变天线输入阻抗的设备，通过调节其参数来实现天线的匹配。

天线匹配网络是通过改变传输线的长度和负载阻抗来实现天线的匹配。

而天线馈电点的设计则是通过改变馈电点的位置和方式来实现天线的匹配。

在实际的天线匹配过程中，需要进行频率扫描和阻抗匹配测试，以确定最佳的匹配参数。

通过频率扫描可以找到天线在不同频率下的传输特性，从而确定最佳的工作频率。

而阻抗匹配测试则可以找到最佳的阻抗匹配参数，以实现最大功率传输。

总之，天线匹配原理是无线通信系统中非常重要的一部分。

一个好的天线匹配可以提高系统的传输效率，改善通信质量。

因此，在设计和实现无线通信系统时，需要充分考虑天线匹配的原理和方法，以实现最佳的通信效果。

半波振子天线的阻抗匹配及平衡转换半波振子天线是一种常见的无线通信天线，它具有简单、易制作、性能稳定等优点，因此被广泛应用于无线通信系统中。

然而，半波振子天线在实际应用中，常常需要进行阻抗匹配和平衡转换，以确保天线与无线电设备之间的信号传输效果最佳。

阻抗匹配是指将天线的输入阻抗与无线电设备的输出阻抗相匹配，以最大限度地传输信号能量。

在半波振子天线中，输入阻抗通常为50欧姆，而无线电设备的输出阻抗则可能有所不同。

因此，为了实现阻抗匹配，可以采用以下几种方法：1. 使用同轴电缆：同轴电缆是一种常用的传输介质，其内部由内导体、绝缘层、外导体和外护套组成。

通过选择合适的同轴电缆，可以将天线的输入阻抗与无线电设备的输出阻抗相匹配。

同时，同轴电缆还可以提供较好的屏蔽效果，减少外界干扰对信号传输的影响。

2. 使用阻抗匹配器：阻抗匹配器是一种电路元件，可以通过调整其参数来实现阻抗匹配。

常见的阻抗匹配器有L型匹配器、π型匹配器等。

通过选择合适的阻抗匹配器，并调整其参数，可以将天线的输入阻抗与无线电设备的输出阻抗相匹配。

3. 使用天线调谐器：天线调谐器是一种用于调节天线输入阻抗的装置。

通过调整天线调谐器的参数，可以使天线的输入阻抗与无线电设备的输出阻抗相匹配。

常见的天线调谐器有变压器调谐器、电容调谐器等。

除了阻抗匹配外，半波振子天线还需要进行平衡转换。

平衡转换是指将不平衡信号转换为平衡信号，以提高信号传输的质量和可靠性。

在半波振子天线中，通常采用平衡到不平衡转换器（Balun）来实现平衡转换。

平衡到不平衡转换器是一种特殊的电路元件，可以将平衡信号转换为不平衡信号，或将不平衡信号转换为平衡信号。

在半波振子天线中，通常使用平衡到不平衡转换器将天线输出的平衡信号转换为不平衡信号，以便与无线电设备进行连接。

在实际应用中，为了确保半波振子天线的阻抗匹配和平衡转换效果最佳，需要根据具体情况选择合适的方法和元件，并进行合理的调整和配置。

单端差分电路阻抗匹配1.引言1.1 概述概述单端差分电路是一种常见的电路结构，在信号传输和处理中起到重要的作用。

它通过将信号分为两个互补的部分来提高抗干扰性能，并减少共模干扰的影响。

与传统的单端电路相比，单端差分电路具有更好的抗干扰能力和信号传输质量。

本文将重点介绍单端差分电路阻抗匹配的问题。

阻抗匹配是指在电路设计中，通过调整电路元件的阻抗，使电路中的输入和输出端口之间阻抗相等或相近的过程。

阻抗不匹配会导致信号的反射和损耗，严重影响电路的性能和传输效果。

在单端差分电路中，阻抗匹配尤为重要。

因为差分信号需要同时在正负两条线上传输，而阻抗不匹配会导致信号在两个线路之间发生不均衡的分布，从而降低电路的性能。

阻抗匹配可以有效减少信号的反射和损耗，提高信号的传输质量和可靠性。

本文将介绍单端差分电路的基本原理，阐述阻抗匹配的重要性，并探讨实现阻抗匹配的方法。

同时，还将分析阻抗匹配对电路性能的影响，以及如何优化阻抗匹配以达到更好的性能。

通过深入了解单端差分电路阻抗匹配的原理和方法，读者可以更好地理解差分信号处理的重要性，并在实际电路设计中合理应用阻抗匹配技术，提高电路的性能和可靠性。

1.2文章结构文章结构：本文主要是对单端差分电路的阻抗匹配进行深入研究和讨论。

文章分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分包括概述、文章结构和目的。

首先，我们会对单端差分电路进行概述，介绍其基本原理和应用领域。

然后，我们会明确文章的结构，说明各个部分的内容和目的。

最后，我们会介绍本文的目的，即总结和归纳单端差分电路阻抗匹配的实现方法和对电路性能的影响。

正文部分主要包括两个方面的内容。

首先，我们会详细介绍单端差分电路的基本原理，包括其工作原理、特点和优势等。

其次，我们会重点讨论阻抗匹配在单端差分电路中的重要性，分析阻抗匹配对电路性能的影响。

我们将探讨阻抗匹配的原则、方法和技巧，以及匹配不良导致的问题和解决方案。

结论部分将对本文的研究内容进行总结和归纳。

什么是阻抗匹配?阻抗匹配是什么意思?阻抗匹配原理阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至全部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。

大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过转变阻抗力，另一种则是调整传输线的波长。

转变阻抗力：把电容或电感与负载串联起来，即可增加或削减负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。

假如把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。

重覆以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗相互适配，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。

串联终端匹配：串联终端匹配的理论动身点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射.串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：A 由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播；B 信号在负载端的反射系数接近＋1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50％；C 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同；D 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻汲取；E 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。

相对并联匹配来说，串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动力量。

选择串联终端匹配电阻值的原则很简洁，就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。

抱负的信号驱动器的输出阻抗为零，实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗，而且在信号的电平发生变化时，输出阻抗可能不同。

比如电源电压为＋4.5V的CMOS驱动器，在低电平常典型的输出阻抗为37Ω，在高电平常典型的输出阻抗为45Ω[4]；TTL驱动器和CMOS驱动一样，其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。

射频实验三调谐匹配一．实验目的：1.了解基本的调谐阻抗匹配理论和设计方法。

2.利用ADS仿真设计匹配电路。

3.利用调谐的方法得到匹配的参数值二．预习内容：1．熟悉微波课程有关阻抗匹配的理论知识。

2．熟悉微波课程有关阻抗变换器的理论知识。

三、软件仿真：(一)设计一个工作中心频率900MHz，频宽50MHz的50-75Ω的T型阻抗变换器。

(R S=50Ω, R L=75Ω)先进行理论计算，然后用ADS进行验证。

主要看输入输出的阻抗是否匹配到匹配点。

（要求得出匹配前和匹配后各自的Smith圆图）匹配前的输入输出端Smith圆图(二)用调谐的方法求的匹配电路，并比较。

（三）利用ADS调谐的方法得出(一)中的Pi型匹配电路各个元件的值，并和理论计算值进行比较，说明各自的优势。

并进行S参数仿真，求出匹配后S(1,1)、S(2,2) 矩形图和圆图，S(2,1)矩形图并分析。

四、对实验二匹配的结果进行调谐，看看能否提高匹配的效果。

五、利用ADS的优化工具对实验三的结果进行优化。

优化的目标：S(1,1)，S(2,2)均小于-30dB，看看S(2,1)能否改善，改善了多少？附录1.设置最优化控制器和优化目标a．以新命名保存实验二的原理图。

b．在Option/stat/Yield面板中引入optimization controller(优化控制器)和goal （优化目标），如下图所示。

c．双击goal进行编辑。

在对话框中输入如下设置，每完成一设置点击Apply 一次，全部完成后点OK。

●Expr:dB(S(1,1))SimInstaceName:SP1●Max=-30(S11至少为-30dB才能满足优化目标)●RangeV ar=freq RangeMin=800MHz RangeMax=1000MHz关于引号标记备注：值的范围无需用引号因为它们是值而非字符串（strings）（变量）。

d．复制S11的目标——选中并使用copy图标。

天线调谐器阻抗匹配网络与调谐算法研究在短波通信系统中,天线的输入阻抗随频率的变化非常剧烈,因此不能通过一个参数固定的阻抗匹配网络来实现天线的阻抗匹配,通常解决方法是采用参数可变的阻抗匹配网络即天线调谐器。

传统的数字天线调谐器中,匹配网络的控制电路大多是基于单片机的实现,采用的调谐算法是通过逐次调整网络元件值来完成阻抗匹配,调谐速度慢、匹配精度低。

随着基于矢量阻抗检测的天线调谐技术的出现,开发应用于新型天线调谐器的调谐速度快、精度高的调谐算法成为新的研究课题。

本文首先回顾了天线调谐器的应用、发展等情况,对天线调谐器的主要指标、调谐元件、调谐方法等进行了介绍,分析了天线调谐器的微机控制单元和参数检测单元的基本工作原理,并对天线调谐器的最新发展成果——基于矢量阻抗检测的天线调谐技术进行了介绍。

随后对Г型匹配网络的特性进行了分析,并将分析方法扩展到对T型和П型匹配网络分析上,对各型匹配网络的调谐方法进行了阐述。

针对一款4m鞭状天线,以典型的П型匹配网络为原型,对天线调谐器中的阻抗匹配网络进行设计,对各元件组的取值范围进行了初步的估算,在不同精度、元件数和频率点等条件下对匹配网络的匹配区域进行了仿真分析。

在调谐算法设计上,采用基于直接计算的调谐算法,以获得快速调谐。

以4m 鞭状天线为匹配对象,对算法的性能和网络的匹配性能进行了仿真,获得了较好的匹配性能。

对算法中出现的匹配精度、计算误差以及如何寻找最优解等问题做了分析,提出在原有算法基础上采用最近邻域搜索算法来改善匹配性能。

同时,基于所做的分析,对网络的元件配置做了适当的调整,在相同的算法下获得了更好的匹配性能。

最后,在现有匹配网络的基础上,为了适配长天线,对匹配网络的元件配置做了进一步的调整,并将调谐网络匹配问题转化为匹配网络各元件的组合优化问题,即从匹配网络中选择接入适当的元件使得电压驻波比值最小。

本文引入遗传算法来解决这一典型的组合优化问题。

对遗传算法的基本流程进行了阐述,采用二进制编码的方式对各元件组进行编码,选择反射系数最小化为适应度函数,以4m鞭状天线为匹配对象,获得了较好的匹配效果。