聲表濾波器的阻抗匹配分析

黎 靜

（1.武漢郵電科學研究院湖北武漢430074；2.深圳市虹遠通信有限責任公司廣東深圳518055）

隨著移動通信的快速發(fā)展，聲表濾波器的應用范圍不斷擴展，由于系統(tǒng)應用的深入，對聲表濾波器的性能也提出了更高的要求。然而，在實際的射頻電路應用中，出于性能運用的考慮，設計者通常將聲表濾波器設計成不同的形式，將聲表濾波器看作是一個網(wǎng)絡，其對應的輸入、輸出就是兩個端口，在實際電路中，聲表濾波器需要與外部電路進行阻抗匹配，從而達到電路期望的性能。

1 聲表濾波器簡述

聲表濾波器全稱為聲表面波濾波器，英文縮寫為SAWF，其在通信領域有廣泛的應用。聲表面波濾波器是利用石英等具有壓電效應特性的材料做成的。具有壓電效應的晶體，在受到電信號的作用同時產生彈性形變而發(fā)出機械波（聲波），即可把電信號轉變?yōu)槁曅盘枴Ｓ捎谶@種聲波只在晶體表面?zhèn)鞑ィ蕦⑵浞Q為聲表面波。

聲表濾波器的主要特點是群延遲時間偏差和頻率選擇性優(yōu)良（可選頻率范圍較寬）、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、可靠性高、制作的器件體小量輕。聲表濾波器的特征和優(yōu)點，適應了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設備及便攜式電話輕薄短小化和高頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠等方面的要求[5]。其不足之處是所需基片材料的價格昂貴，對基片的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高。聲表濾波器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在小型片式化，高頻、寬帶化，降低插入損耗等方面[4]。近年來國外已將聲表濾波器片式化，重量能低至0.2 g；另外，由于采用了新的晶體材料和最新的精細加工技術，使聲表濾波器的使用上限頻率提高到2.5～3 GHz。由于移動通信系統(tǒng)的發(fā)射端（TX）和接收端（RX）必須經過濾波器濾波后才能發(fā)揮作用，其工作頻段一般在800 MHz～3 GHz、帶寬相對較窄（一般不超過30 MHz），聲表濾波器符合低插損、高阻帶抑制和高鏡像衰減、承受功率大、低成本、小型化等特點，因此其在通信行業(yè)有廣泛的應用前景[16]。

2 阻抗匹配簡述

阻抗匹配的概念是射頻電路設計中最為基本的概念之一，貫穿射頻電路設計的始終，其是信號源和負載之間一個重要的過渡電路，其決定著系統(tǒng)的性能，可使系統(tǒng)性能達到約定準則下的最優(yōu)[1-3]。如果信號傳輸中電路之間未能達到阻抗匹配，其輸出功率既不能全部送到負載上，而且信號還會產生失真，甚至造成電路元器件的損壞。尤其在射頻通信電路中，經電路傳輸?shù)哪芰靠赡軙瓷浠貋恚a生駐波，嚴重時會引起饋線的絕緣層以及發(fā)射機末級功放管的損壞。隨著射頻與微波技術的發(fā)展，傳輸電路的阻抗匹配是一項非常重要的工程技術指標[6，8，11]。阻抗匹配的主要思想就是設計一個阻抗匹配網(wǎng)絡來實現(xiàn)阻抗變換，其簡圖如圖1所示。

圖1 阻抗匹配網(wǎng)絡簡圖

阻抗匹配的通常做法是在源和負載之間插入一個無源網(wǎng)絡，使負載阻抗與源阻抗共軛匹配，該網(wǎng)絡也被稱為匹配網(wǎng)絡。阻抗匹配的主要作用通常有以下幾點：從源到器件、從器件到負載或器件之間功率傳輸最大；提高接收機靈敏度（如LNA前級匹配）；減小功率分配網(wǎng)絡幅相不平衡度；獲得放大器理想的增益、輸出功率（PA輸出匹配）、效率和動態(tài)范圍；減小饋線中的功率損耗。

3 聲表濾波器阻抗匹配的方法

3.1 通用型阻抗匹配方法

為了使聲表面波濾波器在電路中獲得較好的性能，需要對其輸出、輸入端口與外部電路進行阻抗匹配。結合阻抗匹配的相關知識，將聲表阻抗匹配簡圖概括如圖2所示。

其中，PORT1表示源或負載的阻抗，PORT2分別表示聲表濾波器輸入或輸出的阻抗。在實際電路中，通常存在兩種接入方式，分別是串-并連接和并-串連接方式。

圖2 聲表阻抗變換簡圖

3.1.1 串-并連接方式

圖3即串-并阻抗匹配網(wǎng)絡簡圖，根據(jù)上述的兩端口輸入輸出的阻抗值，結合阻抗匹配（共軛匹配）的條件，運用Z參數(shù)分析方法，可得到一個二元方程，其中特征因數(shù)表達式如式（1）：

通常情況下，若Dps≥0，則存在這樣的匹配網(wǎng)絡滿足電路要求，否則，匹配網(wǎng)絡不存在。

圖3 串-并連接方式阻抗匹配網(wǎng)絡

結合這個特征因數(shù)表達式，就可以計算出鏈路中使用元器件的相關參數(shù)。若Dps＞0時，就有兩種不同的串并連接方式（若Dps=0，則只有一種連接方式）。根據(jù)特征因數(shù)和輸入、輸出阻抗得出如下兩組解。

根據(jù)上式（2）、式（3）中各值的大小及對于給定聲表面濾波器的頻率，可得出相關感容值如式（4）及式（5）。

3.1.2 并-串連接方式

圖4即并-串連接方式阻抗匹配網(wǎng)絡簡圖。與串-并連接方式類似地分析，其特征因子表達式如下：

若Dps＞0時，就有兩種不同的串并連接方式（若Dps=0，則只有一種連接方式）。根據(jù)特征因數(shù)和輸入、輸出阻抗得出如下兩組解。

圖4 并-串連接方式阻抗匹配網(wǎng)絡

同樣地，根據(jù)式（7）、式（8）中各值的大小及對于給定聲表面濾波器的頻率，可得出相關感容值如式（9）、及式（10）。

對于上述兩種比較常用的方法，現(xiàn)在選用前一種方法，利用ADS仿真來進行驗證。聲表濾波器的輸入阻抗為120Ω，中心頻率972 MHz，帶寬50 MHz，使用ADS仿真電路圖如圖5所示。外部射頻電路為標準50Ω。匹配電路采用串-并連接方式，易得：

圖5 ADS仿真電路圖

串聯(lián)電感為9.8 nH（實際運用過程中選用10 nH），并聯(lián)電容為1.6 pF。

仿真結果如圖6所示，據(jù)圖中S11，S21曲線可知，該配方式插損小，回損抑制好，滿足匹配要求。

3.2 平衡-不平衡阻抗匹配

3.2.1 單端與雙端之間的等效阻抗匹配

在一些電路中，端阻抗的輸入與輸出均為單端不平衡的形式，對于其給定的一個阻抗匹配，可以轉化成雙端平衡的形式，圖7給出了4種簡單連接方式的匹配元件的具體值。通常在該情況下，源端與負載端的阻抗值相同。

圖6 ADS仿真結果圖

圖7 單端不平衡和雙端平衡間的等效轉換圖

3.2.2 單端-雙端混合連接的不等阻抗匹配

雙端輸入或是輸出方式即為差分的方式，其具有高增益、抗電磁干擾能力強、抗電源噪聲、抗地噪聲能力強、抑制偶次諧波等優(yōu)點。目前這種接入方式也越來越多的用在了各種射頻電路中。所以單端-雙端混合接入方式的阻抗匹配也顯得有的放矢了。圖8是一種使用電容和電感連接的類似與電橋結構的一種平衡轉不平衡的阻抗匹配簡圖。

圖8 一種平衡轉不平衡的阻抗匹配簡圖

根據(jù)輸入端與輸出端的阻抗值，結合匹配條件，將兩個接地點當做電路中的一個節(jié)點，運用Z參數(shù)分析（PORT1阻抗Ri，PORT2阻抗R）l，可以得到相關感容器件的具體值如式（11）。

圖9是運用ADS仿真軟件對該類方法做出的仿真分析圖，其中濾波器輸入端的阻抗為150 Ω，中心頻率為1.95 GHz，帶寬60 MHz，外部電路的阻抗為50 Ω，由上述方法易得其匹配電路中電容值約為1 pF，電感值約為6.4 nH。

圖9 ADS仿真電路圖

仿真結果如圖10，據(jù)圖中S11，S21曲線可知，該匹配方式插損小，整個S11較平滑，整體回損抑制較小，滿足匹配要求[7]。

圖10 ADS仿真結果圖

當然，目前巴倫也廣泛的用于平衡裝不平衡的阻抗匹配中，可根據(jù)源端和負載的阻抗比來選擇相應的巴倫，轉化成雙端口之后，在借鑒3.1節(jié)中的方法即可完成相應的阻抗匹配[13-14]。

4 結束語

由于目前聲表濾波器被廣泛的用于各種通信電路中，本文旨在提供一些常用鏈路中聲表濾波器的阻抗匹配方法，從而使聲表面濾波器能最大的發(fā)揮其在鏈路中的作用，涉及到了一些實際應用電路中的接入方法，當然在實際應用過程中，還應注意所使用PCB基板的材料和線路布局等因素。

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