CN107992689A - 一种阻抗匹配的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻抗匹配的方法及系统，用以解决现有的阻抗匹配通过不断地盲调完成，效率低的问题。该方法包括：S1、导入算法软件工具；S2、通过所述算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据所述匹配参数选择最佳匹配网络；S3、通过所述算法软件工具确定所述最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。本发明引入一种算法软件工具，方便快捷地给出在插入损耗较小情况下的最佳匹配形式，有效提高阻抗匹配的效率，节省了大量的人力、时间及成本。

Description

一种阻抗匹配的方法及系统

技术领域

本发明涉及阻抗匹配技术领域，尤其涉及一种阻抗匹配的方法及系统。

背景技术

射频是手机等电子设备以及智能家居等需进行无线通信领域的技术基础。射频的高频属性导致其波长与分立元件的几何尺寸相比拟，因而必须将其看为是传输的波。波在传输的过程中收到器件的影响会传输以及反射，于是，如何使电磁波更多地传输以得到所需要的信号成为需要解决的问题。

阻抗匹配就是解决这个问题的方式，如果能够做到完全匹配也就意味着电磁波能够完全传输过去而不发生任何反射，但是现实中不可能做到完全匹配，只能通过有效的匹配方式尽量减少反射。在设计和调试射频电路的过程中，阻抗匹配往往是通过不断地摸索盲调完成的，尤其在板子调试过程中，必须通过若干次焊接和更换匹配元件才能找到变化的趋势，因此效率非常低。

常应用的射频阻抗匹配网络虽然种类较少，主要有PI型网络、T型网络及L型网络。所以热门往往通过盲目的试验，或者经验丰富着根据经验完成网络的匹配。但是对于绝大多数人来说，阻抗匹配网络的选取及其网络参数的获取都是通过先假定某一网络，进而假定其网络元件的参数，然后通过实际测量驻波比(VSWR)或者回波损耗(S11)来确定其是否匹配，如果恰好网络匹配，则调试完成，然而一般的调试过程都是若干次不断地更换元件参数进行调试才能完成的。目前对于射频的阻抗仿真工具往往集中与分布式参数的仿真，对于不同种传输线的阻抗仿真工具较为常见，例如对微带线、带状线，甚至对于共面波导(CPW)等都有模型的阻抗计算工具。对于集总参数的匹配网络，更多的是根据Smith Chart(史密夫图表)来调试，但是会存在一个问题，每更换一次元件都需要测得Smith Chart，同时还需要结合测量其插入损耗(Insertion Loss)，多方权衡，直到最终匹配。在这个过程中，需要多次机械性的重复工作并且没有方向性的盲调，这就增加了设计和调试的周期及资源消耗。

公开号为CN103858341A的专利提供了一种在前端模块与天线之间执行阻抗匹配的阻抗匹配装置。所述阻抗匹配装置包括：射频前端，提供多频段射频信号；反射功率测量模块，测量射频输入信号的反射系数；匹配模块，调节阻抗来使得所述反射系数被最小化；第一开关模块，设置在所述射频前端中以选择性地切换所述射频信号到旁路路径上；以及控制器，如果从所述反射系数检测到特定频率范围，那么令所述射频信号被切换到所述旁路路径上。该装置需要对阻抗匹配进行盲调。效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题目的在于提供一种阻抗匹配的方法及系统，用以解决现有的阻抗匹配通过不断地盲调完成，效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种阻抗匹配的方法，包括步骤：

S1、导入算法软件工具；

S2、通过所述算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据所述匹配参数选择最佳匹配网络；

S3、通过所述算法软件工具确定所述最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。

进一步地，步骤S2具体包括：

计算无源器件端口处的阻抗值；

将所述阻抗值输入所述算法软件工具并设定初始条件；

通过所述算法软件工具分别对不同的匹配网络进行计算；

判断所述匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算所述匹配网络的插入损耗并输出所述插入损耗在预设范围内的匹配网络；

从所述输出的匹配网络中选择最佳匹配网络。

进一步地，步骤S2还具体包括：

若所述匹配网络的阻抗未达到预设阈值，则继续下一个匹配网络类型的匹配。

进一步地，还包括步骤：

通过所述算法软件工具调出史密夫图表以显示每种匹配网络的匹配过程。

进一步地，步骤S3具体包括：

将所述最佳匹配网络的类型和端口阻抗值输入所述算法软件工具；

通过所述算法软件工具不断调节电容电感的参数值；

判断所述最佳匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算所述最佳匹配网络的插入损耗并输出所述插入损耗在预设范围内的电容电感的参数值。

一种阻抗匹配的系统，包括：

导入模块，用于导入算法软件工具；

选择模块，用于通过所述算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据所述匹配参数选择最佳匹配网络；

确定模块，用于通过所述算法软件工具确定所述最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。

进一步地，所述选择模块具体包括：

计算单元，用于计算无源器件端口处的阻抗值；

第一输入单元，用于将所述阻抗值输入所述算法软件工具并设定初始条件；

分析单元，用于通过所述算法软件工具分别对不同的匹配网络进行计算；

第一判断单元，用于判断所述匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算所述匹配网络的插入损耗并输出所述插入损耗在预设范围内的匹配网络；

比较单元，用于从所述输出的匹配网络中选择最佳匹配网络。

进一步地，所述选择模块具体包括：

转换单元，用于若所述匹配网络的阻抗未达到预设阈值，则继续下一个匹配网络类型的匹配。

进一步地，还包括：

显示模块，用于通过所述算法软件工具调出史密夫图表以显示每种匹配网络的匹配过程。

进一步地，确定模块具体包括：

第二输入单元，用于将所述最佳匹配网络的类型和端口阻抗值输入所述算法软件工具；

调节单元，用于通过所述算法软件工具不断调节电容电感的参数值；

第二判断单元，用于判断所述最佳匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算所述最佳匹配网络的插入损耗并输出所述插入损耗在预设范围内的电容电感的参数值。

本发明与传统的技术相比，有如下优点：

本发明引入一种算法软件工具，方便快捷地给出在插入损耗较小情况下的最佳匹配形式，有效提高阻抗匹配的效率，节省了大量的人力、时间及成本。

附图说明

图1是实施例一提供的一种阻抗匹配的方法流程图；

图2是实施例一提供的Pi型、T型、L型集总参数阻抗形式示意图；

图3是实施例二提供的一种阻抗匹配的系统结构图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

本实施例提供了一种阻抗匹配的方法，如图1所示，包括步骤：

S11：导入算法软件工具；

S12：通过算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据匹配参数选择最佳匹配网络；

S13：通过算法软件工具确定最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。

本实施例在阻抗匹配的无源器件的设计阶段和实际射频电路的调试阶段的两种应用形势下，通过本实施例导入的算法软件工具能够方便快捷地给出在插入损耗较小情况下的最佳匹配形式，从而节约大量的人力、时间及成本。

在射频前端无论发送还是接受电路都需要数次匹配才能得到较好的发射功率、EVM、接收灵敏度等参数，从而满足标准，获得较好的通信链路。一般来说在射频电路中，各元器件之间会由传输线连接，这样必然使得阻抗值发生改变，所以需要对电路进行再一次阻抗匹配。

阻抗匹配，顾名思义，就是将两部分或者几部分的阻抗进行匹配，以达到顺利传输数据的目的。例如，当网络之间的走线阻抗为77欧姆时，可以得到最小的损耗，而当走线的阻抗为30欧姆时，能够得到最大的传输功率。为了权衡损耗和传输功率，技术人员选用50欧姆这一中间值来作为阻抗匹配的统一标准值。本实施例以50欧姆为预设阈值为例。

在设计和测试射频电路的过程中，除差分电路以外均默认将阻抗匹配到50欧姆。对于集总参数的阻抗匹配形式有Pi型、T型、L型以及混合型电路，如图2所示，可以看出Pi型和T型网络均有三个自由度，而L型网络只有两个自由度，所以需要仔细甄别具体需要应用的匹配电路形式。

本实施例中，步骤S11为导入算法软件工具。

本实施例设计一种算法软件工具，能够以匹配的为前提，通过一些列的算法和程序计算出最优的匹配网络形式及其所需要的电容电感参数，并且给出在此情况下的插入损耗等用以评定匹配好坏的参数。此算法软件工具在以下两种不同需求下进行计算：无源器件的设计阶段和对实际射频电路板的调试阶段。

本实施例中，步骤S12为通过算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据匹配参数选择最佳匹配网络。

其中，步骤S12具体包括：

计算无源器件端口处的阻抗值；

将阻抗值输入算法软件工具并设定初始条件；

通过算法软件工具分别对不同的匹配网络进行计算；

判断匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算匹配网络的插入损耗并输出插入损耗在预设范围内的匹配网络；否则，继续下一个匹配网络类型的匹配；

从输出的匹配网络中选择最佳匹配网络。

具体的，在无源器件的设计阶段，对于射频方向的研发人员，更多的是设计和创新出新型结构和功能的单一无源器件。例如滤波器、功分器、天线等无源器件的设计，在其主题模型设计完成之后，还有一个非常重要的环节——阻抗匹配。因为所设计的器件不仅仅需要验证其实测与仿真结果的一致性(焊接的SMA接头亦是50欧姆)，并且其应用背景是在射频电路的系统中，因此需要调节其阻抗匹配至50欧姆。

首先，在HFSS或者ADS的设计仿真过程中，先计算出无源器件端口处的阻抗值，将这一结果输入到计算软件工具中，并且设定初始条件(注入板材介电常数、板厚、铜间距等)。通过此算法软件工具，输出几组较好的匹配网络，并且给出其对应的插入损耗。

在算法软件工具中，会按照自由度不同的匹配网络分别选择，即L型、Pi型、T型甚至混合型电路均会计算到。经过此算法软件工具的快速甄选，得出最适合的某一种或者某几种匹配网络。

越小的自由度，即电容电感等器件数量就越少，能够节约成本，同时还能防止产生更多的EMI。通过算法软件工具对不同的匹配网络进行计算。判断当前的匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，则计算当前匹配网络的插入损耗。

最终对于算法软件工具输出的预设范围内的匹配网络进行选择。如，选择结果较好的前五组。则对输出的五组比较好的结果进行选择。一般而言，选择插入损耗较小的匹配结果，因为插入损耗小能够减小数据传输过程中的误码损耗，增大通信效率。

例如，设计的无源器件端口的阻抗值为：Z_in＝1.7+9j,现在对其进行阻抗匹配，给出两种匹配方案如下:

1)在端口处并联一个电容C＝34pF,匹配后得到Z_L＝50.2+0.0jOhm，InsertionLoss＝23dB。

2)在端口处串联电容C＝1.2pF，再并联电感L＝13.5nH，再串联电容C＝5.4pF，匹配后得到Z_L＝53+0.0jOhm，Insertion Loss＝3.2dB。

最终，这个匹配电路毋庸置疑要选择插入损耗(Insertion Loss)较小的第二种方案，这样能够清晰地比较出最适合的匹配网络。

本实施例中，步骤S13为通过算法臁工具确定最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。

其中，步骤S13具体包括：

将最佳匹配网络的类型和端口阻抗值输入算法软件工具；

通过算法软件工具不断调节电容电感的参数值；

判断最佳匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算最佳匹配网络的插入损耗并输出插入损耗在预设范围内的电容电感的参数值。

具体的，对实际射频电路板的调试阶段而言，首先在PCB板上的匹配网络已经确定成型，例如此射频电路的匹配网络采用的是Pi型网络，那么接下来就可以应用此算法软件工具来确定这个Pi型网络中所需要的电容电感的摆放以及所对应值。这样，能够大大节约时间，同时减少盲调所带来的盲目性。

首先，对实际的射频板，可以使用网络分析仪求得其需要匹配的端口的阻抗值，输入到算法工具中进行分析计算，最后输出几组参数结果，根据插入损耗的大小，即可确定最优的匹配结果。

通过算法软件工具不断调节电容电感的参数值，判断最佳匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，如50欧姆。若是，则计算最佳匹配网络的插入损耗。对自由度由小到大进行排序，输出对应的预设范围内的匹配结果。否则，继续利用算法软件工具进行计算。这样以便达到更高的匹配。

本实施例中，还包括步骤：

通过算法软件工具调出史密夫图表以显示每种匹配网络的匹配过程。

具体的，算法软件工具是以软件算法为基础，结合阻抗计算的方法，并且配以史密夫图表(Smith Chart)和插入损耗(Insertion Loss)的运算加以完善。算法软件工具从自由度低匹配网络开始，针对没有中匹配网络类型，如果能够匹配到预设阈值，则计算插入损耗，并且输出此网络，如果不能达到匹配，则继续下一个网络类型，重复执行。此外，算法软件工具还能调出史密夫图表，能够清晰明了地看到每种匹配方式地匹配过程。

由此看来，应用此算法软件工具到设计研发阶段以及射频板的调试阶段，能够有效节约时间和机械性的盲调，从而提高效率，减少投入成本。

实施例二

本实施例提供了一种阻抗匹配的系统，如图3所示，包括：

导入模块21，用于导入算法软件工具；

选择模块22，用于通过算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据匹配参数选择最佳匹配网络；

确定模块23，用于通过算法软件工具确定最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。

本实施例在阻抗匹配的无源器件的设计阶段和实际射频电路的调试阶段的两种应用形势下，通过本实施例导入的算法软件工具能够方便快捷地给出在插入损耗较小情况下的最佳匹配形式，从而节约大量的人力、时间及成本。

在射频前端无论发送还是接受电路都需要数次匹配才能得到较好的发射功率、EVM、接收灵敏度等参数，从而满足标准，获得较好的通信链路。一般来说在射频电路中，各元器件之间会由传输线连接，这样必然使得阻抗值发生改变，所以需要对电路进行再一次阻抗匹配。

在设计和测试射频电路的过程中，除差分电路以外均默认将阻抗匹配到50欧姆。对于集总参数的阻抗匹配形式有Pi型、T型、L型以及混合型电路，如图2所示，可以看出Pi型和T型网络均有三个自由度，而L型网络只有两个自由度，所以需要仔细甄别具体需要应用的匹配电路形式。

本实施例中，导入模块21用于导入算法软件工具。

本实施例设计一种算法软件工具，能够以匹配的为前提，通过一些列的算法和程序计算出最优的匹配网络形式及其所需要的电容电感参数，并且给出在此情况下的插入损耗等用以评定匹配好坏的参数。此算法软件工具在以下两种不同需求下进行计算：无源器件的设计阶段和对实际射频电路板的调试阶段。

本实施例中，选择模块22用于通过算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据匹配参数选择最佳匹配网络。

其中，选择模块22具体包括：

计算单元，用于计算无源器件端口处的阻抗值；

第一输入单元，用于将阻抗值输入算法软件工具并设定初始条件；

分析单元，用于通过算法软件工具分别对不同的匹配网络进行计算；

第一判断单元，用于判断匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算匹配网络的插入损耗并输出插入损耗在预设范围内的匹配网络；

转换单元，用于若匹配网络的阻抗未达到预设阈值，则继续下一个匹配网络类型的匹配；

比较单元，用于从输出的匹配网络中选择最佳匹配网络。

具体的，在无源器件的设计阶段，对于射频方向的研发人员，更多的是设计和创新出新型结构和功能的单一无源器件。例如滤波器、功分器、天线等无源器件的设计，在其主题模型设计完成之后，还有一个非常重要的环节——阻抗匹配。因为所设计的器件不仅仅需要验证其实测与仿真结果的一致性(焊接的SMA接头亦是50欧姆)，并且其应用背景是在射频电路的系统中，因此需要调节其阻抗匹配至50欧姆。

首先，在HFSS或者ADS的设计仿真过程中，先计算出无源器件端口处的阻抗值，将这一结果输入到计算软件工具中，并且设定初始条件(注入板材介电常数、板厚、铜间距等)。通过此算法软件工具，输出几组较好的匹配网络，并且给出其对应的插入损耗。

在算法软件工具中，会按照自由度不同的匹配网络分别选择，即L型、Pi型、T型甚至混合型电路均会计算到。经过此算法软件工具的快速甄选，得出最适合的某一种或者某几种匹配网络。

越小的自由度，即电容电感等器件数量就越少，能够节约成本，同时还能防止产生更多的EMI。通过算法软件工具对不同的匹配网络进行计算。判断当前的匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，则计算当前匹配网络的插入损耗。

最终对于算法软件工具输出的预设范围内的匹配网络进行选择。如，选择结果较好的前五组。则对输出的五组比较好的结果进行选择。一般而言，选择插入损耗较小的匹配结果，因为插入损耗小能够减小数据传输过程中的误码损耗，增大通信效率。

例如，设计的无源器件端口的阻抗值为：Z_in＝1.7+9j,现在对其进行阻抗匹配，给出两种匹配方案如下:

1)在端口处并联一个电容C＝34pF,匹配后得到Z_L＝50.2+0.0jOhm，InsertionLoss＝23dB。

2)在端口处串联电容C＝1.2pF，再并联电感L＝13.5nH，再串联电容C＝5.4pF，匹配后得到Z_L＝53+0.0jOhm，Insertion Loss＝3.2dB。

最终，这个匹配电路毋庸置疑要选择插入损耗(Insertion Loss)较小的第二种方案，这样能够清晰地比较出最适合的匹配网络。

本实施例中，确定模块23用于通过算法臁工具确定最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。

其中，确定模块23具体包括：

第二输入单元，用于将最佳匹配网络的类型和端口阻抗值输入算法软件工具；

调节单元，用于通过算法软件工具不断调节电容电感的参数值；

第二判断单元，用于判断最佳匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算最佳匹配网络的插入损耗并输出插入损耗在预设范围内的电容电感的参数值。

具体的，对实际射频电路板的调试阶段而言，首先在PCB板上的匹配网络已经确定成型，例如此射频电路的匹配网络采用的是Pi型网络，那么接下来就可以应用此算法软件工具来确定这个Pi型网络中所需要的电容电感的摆放以及所对应值。这样，能够大大节约时间，同时减少盲调所带来的盲目性。

首先，对实际的射频板，可以使用网络分析仪求得其需要匹配的端口的阻抗值，输入到算法工具中进行分析计算，最后输出几组参数结果，根据插入损耗的大小，即可确定最优的匹配结果。

通过算法软件工具不断调节电容电感的参数值，判断最佳匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，如50欧姆。若是，则计算最佳匹配网络的插入损耗。对自由度由小到大进行排序，输出对应的预设范围内的匹配结果。否则，继续利用算法软件工具进行计算。这样以便达到更高的匹配。

本实施例中，还包括：

显示模块，用于通过算法软件工具调出史密夫图表以显示每种匹配网络的匹配过程。

具体的，算法软件工具是以软件算法为基础，结合阻抗计算的方法，并且配以史密夫图表(Smith Chart)和插入损耗(Insertion Loss)的运算加以完善。算法软件工具从自由度低匹配网络开始，针对没有中匹配网络类型，如果能够匹配到预设阈值，则计算插入损耗，并且输出此网络，如果不能达到匹配，则继续下一个网络类型，重复执行。此外，算法软件工具还能调出史密夫图表，能够清晰明了地看到每种匹配方式地匹配过程。

由此看来，应用此算法软件工具到设计研发阶段以及射频板的调试阶段，能够有效节约时间和机械性的盲调，从而提高效率，减少投入成本。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种阻抗匹配的方法，其特征在于，包括步骤：

S1、导入算法软件工具；

S2、通过所述算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据所述匹配参数选择最佳匹配网络；

S3、通过所述算法软件工具确定所述最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。

2.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

计算无源器件端口处的阻抗值；

将所述阻抗值输入所述算法软件工具并设定初始条件；

通过所述算法软件工具分别对不同的匹配网络进行计算；

判断所述匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算所述匹配网络的插入损耗并输出所述插入损耗在预设范围内的匹配网络；

从所述输出的匹配网络中选择最佳匹配网络。

3.根据权利要求2所述的一种阻抗匹配的方法，其特征在于，步骤S2还具体包括：

若所述匹配网络的阻抗未达到预设阈值，则继续下一个匹配网络类型的匹配。

4.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配的方法，其特征在于，还包括步骤：

通过所述算法软件工具调出史密夫图表以显示每种匹配网络的匹配过程。

5.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配的方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

将所述最佳匹配网络的类型和端口阻抗值输入所述算法软件工具；

通过所述算法软件工具不断调节电容电感的参数值；

判断所述最佳匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算所述最佳匹配网络的插入损耗并输出所述插入损耗在预设范围内的电容电感的参数值。

6.一种阻抗匹配的系统，其特征在于，包括：

导入模块，用于导入算法软件工具；

选择模块，用于通过所述算法软件工具计算不同匹配网络的匹配参数并根据所述匹配参数选择最佳匹配网络；

确定模块，用于通过所述算法软件工具确定所述最佳匹配网络所需要的电容电感的参数值。

7.根据权利要求6所述的一种阻抗匹配的系统，其特征在于，所述选择模块具体包括：

计算单元，用于计算无源器件端口处的阻抗值；

第一输入单元，用于将所述阻抗值输入所述算法软件工具并设定初始条件；

分析单元，用于通过所述算法软件工具分别对不同的匹配网络进行计算；

第一判断单元，用于判断所述匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算所述匹配网络的插入损耗并输出所述插入损耗在预设范围内的匹配网络；

比较单元，用于从所述输出的匹配网络中选择最佳匹配网络。

8.根据权利要求7所述的一种阻抗匹配的系统，其特征在于，所述选择模块具体包括：

转换单元，用于若所述匹配网络的阻抗未达到预设阈值，则继续下一个匹配网络类型的匹配。

9.根据权利要求6所述的一种阻抗匹配的系统，其特征在于，还包括：

显示模块，用于通过所述算法软件工具调出史密夫图表以显示每种匹配网络的匹配过程。

10.根据权利要求6所述的一种阻抗匹配的系统，其特征在于，确定模块具体包括：

第二输入单元，用于将所述最佳匹配网络的类型和端口阻抗值输入所述算法软件工具；

调节单元，用于通过所述算法软件工具不断调节电容电感的参数值；

第二判断单元，用于判断所述最佳匹配网络的阻抗是否达到预设阈值，若是，计算所述最佳匹配网络的插入损耗并输出所述插入损耗在预设范围内的电容电感的参数值。