阻抗匹配濾波器電路設計

除了使用阻抗匹配變壓器外，設計人員還可以在 RF 放大器的輸出端使用阻抗濾波器電路，它可以兼作濾波電路和阻抗匹配電路。有多種類型的濾波器電路可用于阻抗匹配，本文討論了最常見的那些。

LC濾波器匹配

可以使用各種LC 濾波器來匹配阻抗并提供濾波。濾波對功率 RF 放大器的輸出尤為重要，因為它們會產生大量不需要的諧波，這些諧波在被天線傳輸之前必須被過濾掉，因為它們會造成干擾，并且會在電臺獲準傳輸的頻率以外的頻率上傳輸on 可能是非法的。我們將介紹低通 LC 濾波器，因為無線電功率放大器只產生諧波，而諧波信號始終是基本信號的整數倍，因此它們的頻率總是高于基本信號——這就是我們使用低通濾波器的原因，他們在消除諧波的同時讓有用的信號通過。在設計 LC 濾波器時，我們將討論源電阻和負載電阻而不是阻抗，因為如果負載或源具有一些串聯或并聯的電感或電容，則非電阻阻抗的計算會變得更加復雜。在這種情況下，最好使用 PI 濾波器或 L 濾波器計算器。在大多數情況下，例如集成電路、正確制作和調諧的天線、電視和無線電接收器、發射器等，輸出/輸入阻抗 = 電阻。

“Q”因素

每個 LC 濾波器都有一個稱為Q(質量)因子的參數，在低通和高通濾波器中，它決定了頻率響應的陡度。低 Q 濾波器的帶寬非常寬，不會像高 Q 濾波器那樣濾除不需要的頻率。高 Q 值濾波器會濾除不需要的頻率，但它會有一個共振峰，因此它也可以用作帶通濾波器。高 Q 因數有時會降低效率。

過濾器

L 濾波器是 LC 濾波器的最簡單形式。它們由一個電容器和一個電感器組成，連接方式類似于 RC 濾波器中的連接方式，電感器代替了電阻器。它們可用于匹配高于或低于源阻抗的阻抗。在每個 L 濾波器中，只有一種 L 和 C 的組合可以將給定的輸入阻抗與給定的輸出阻抗相匹配。

例如，要在 14MHz 時將 50 Ω 負載匹配到 100 Ω 負載，我們需要一個 560nH 電感器和一個 114pF 電容器——這是唯一可以在該頻率下與這些電阻進行匹配的組合。他們的 Q 因子，因此濾波器有多好等于

√((R A /R B )-1)=Q

其中 R A是較大的阻抗，RL 是較小的阻抗，Q 是連接適當負載時的品質因數。

在我們的例子中，加載的 Q 將等于 √((100/50)-1) = √(2-1) = √1 = 1。如果我們想要更多或更少的過濾(不同的 Q)，我們需要PI 濾波器，其中 Q 是完全可調的，您可以有不同的 L 和 C 組合，可以在給定頻率下為您提供所需的匹配，每個組合都有不同的 Q。

要計算 L 濾波器元件的值，我們需要三樣東西：電源的輸出電阻、負載電阻和工作頻率。

例如，源的輸出電阻為 3000 Ω，負載電阻為 50 Ω，頻率為 14 MHz。由于我們的源電阻大于負載電阻，我們將使用“b”濾波器

首先，我們需要計算L濾波器兩個元件的電抗，然后我們可以根據電抗和使用頻率計算電感和電容：

X L =√(R S *(R L -R S ))

X L =√(50Ω*(3000Ω-50Ω)

X L =√(50Ω*(3000Ω-50Ω)

X L =√(50Ω*2950Ω)

X L =√(50Ω*2950Ω)

X L =√147500 Ω 2

X L = 384.1 Ω

我們使用電抗計算器來確定在 14MHz 時具有 384.1 Ω 電抗的電感

L=4.37 μH

X C =(R S *R L )/X L

X C =(50 Ω*3000 Ω)/384.1 Ω

X C =150000 Ω 2 /384.1 Ω

X C =390.6 Ω

我們使用電抗計算器來確定在 14MHz 時具有 390.6 Ω 電抗的電感

C= 29.1 皮法

正如您所看到的，濾波器的頻率響應是低通的，在 14MHz 處有一個諧振峰值，諧振峰值是由具有高 Q 值的濾波器引起的，如果 Q 值較低，則濾波器將是沒有峰值的低通濾波器。如果我們想要一個不同的 Q，那么濾波器會更寬，我們需要使用 PI 濾波器，因為 L 濾波器的 Q 取決于源電阻和負載電阻。如果我們使用此電路來匹配電子管或晶體管的輸出阻抗，則需要從濾波器的電容器中減去輸出對地電容，因為它們是并聯的。如果我們使用集電極-發射極電容(也稱為輸出電容)為 10pF 的晶體管，則 C 的電容應為 19.1pF 而不是 29.1pF。

PI過濾器

PI濾波器是一種用途非常廣泛的匹配電路，它由3個電抗元件組成，通常是兩個電容和一個電感。與 L 濾波器不同，其中只有 L 和 C 的一種組合在給定頻率下提供所需的阻抗匹配，PI 濾波器允許 C1、C2 和 L 的多種組合來實現所需的阻抗匹配，每種組合具有不同的 Q。

PI 濾波器更常用于需要調諧到不同負載電阻甚至復阻抗的應用中，例如射頻功率放大器，因為它們的輸入輸出阻抗比 (r i ) 由電容器的平方比決定，因此當調諧到不同的阻抗時，線圈可以保持不變，而只調諧電容器。射頻功率放大器中的 C1 和 C2 通常是可變的。

(C1/C2)2=r i

當我們想要一個更寬的濾波器時，我們使用 Q 略高于 Q crit當我們想要一個更銳利的濾波器時，例如在 RF 功率放大器的輸出端，我們使用比 Q crit大得多但低于 10 的 Q，因為過濾器的 Q 越高，效率越低。RF 輸出級中 PI 濾波器的典型 Q 值是 7，但這個值可能會有所不同。

Q暴擊=√(R A /R B -1)

其中：R A是兩個(源或負載)電阻中較高的一個，R B是較小的電阻。通常，可以將較高 Q 的PI 濾波器視為由線圈 L 和電容 C 構成的并聯諧振電路，忽略阻抗匹配，電容等于：

C=(C1*C2)/(C1+C2)

該諧振電路應在濾波器將使用的頻率下諧振。

要計算 PI 濾波器組件的值，我們需要四樣東西：源的輸出電阻、負載電阻、工作頻率和 Q。

例如，我們需要將 8Ω 源與 Q 為 7 的 75Ω 負載相匹配。

R A是兩個(源或負載)電阻中較高的一個，R B是較小的電阻。

X C1 =R A /Q

X C1 =75 Ω/7

X C1 =10.7 Ω

我們使用電抗計算器來確定在 7 MHz 時具有 10.7 Ω 電抗的電容

C1=2.12nF

X L =(Q*R A +(R A *R B /X C2 ))/(Q 2 +1)

X L =(7*75Ω+(75Ω*8Ω/3.59Ω))/7 2 +1

X L =(575 Ω+(600 Ω 2 /3.59 Ω))/50

X L =(575Ω+(167Ω))/50

X L =742 Ω/50

X L =14.84 Ω

我們使用電抗計算器來確定在 7 MHz 時具有 14.84 Ω 電抗的電感 L=340nH

X C2 =R B *√((R A /R B )/(Q 2 +1-(R A /R B )))

X C2 =8Ω*√((75Ω/8Ω)/(Q 2 +1-(75Ω/8Ω)))

X C2 =8 Ω*√(9.38/(49+1-3.38))

X C2 =8 Ω*√(9.38/46.62)

X C2 =8Ω*√0.2

X C2 =8Ω*0.45

X C2 =3.59 Ω

我們使用電抗計算器來確定在 7 MHz 時具有 3.59 Ω 電抗的電容 C2=6.3nF

與 L 濾波器一樣，如果我們的輸出設備有任何輸出電容(管的板陰極，BJT 的集電極到發射極，通常只是 MOSFET、管和 BJT 的輸出電容)我們需要從 C1 中減去它，因為該電容是并聯連接到它。如果我們使用具有 180 pF 輸出電容的 IRF510 晶體管作為功率輸出設備，C1 需要為 6.3 nF-0.18 nF，因此為 6.17 nF。如果我們并聯使用多個晶體管以獲得更高的輸出功率，則電容將相加。

對于 3 IRF510，它將是 6.3 nF-0.18 nF*3 = 6.3 nF-0.54 nF，因此是 5.76 nF 而不是 6.3 nF。

其他用于阻抗匹配的LC電路

有許多不同的 LC 電路用于匹配阻抗，例如T 濾波器，晶體管功率放大器的特殊匹配電路，或 PI-L 濾波器(帶有附加電感器的 PI 濾波器)。

審核編輯：湯梓紅