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技術(shù)專題
阻抗匹配濾波器電路設(shè)計(jì)– LC，L和PI濾波器
阻抗匹配的基礎(chǔ)知識(shí)以及如何使用阻抗匹配變壓器。除了使用阻抗匹配變壓器以外，設(shè)計(jì)人員還可以在RF放大器的輸出端使用阻抗濾波器電路，該電路可以兼作濾波電路和阻抗匹配電路。有許多類型的濾波器電路可用于阻抗匹配，本文將討論最常見的濾波器電路。
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(duì)功率RF放大器的輸出尤為重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生很多有害的諧波，這些噪聲必須在天線發(fā)射之前進(jìn)行濾波，因?yàn)樗鼈儠?huì)引起干擾，并且會(huì)在電臺(tái)被批準(zhǔn)發(fā)射的頻率以外的頻率上發(fā)射可能是非法的。我們將介紹低通LC濾波器，因?yàn)闊o線電功率放大器僅產(chǎn)生諧波，并且諧波信號(hào)始終是基本信號(hào)的整數(shù)倍，因此它們的頻率始終高于基本信號(hào)–這就是為什么我們使用低通濾波器，它們?cè)谙C波的同時(shí)讓所需信號(hào)通過。在設(shè)計(jì)LC濾波器時(shí)，我們將討論源電阻和負(fù)載電阻而不是阻抗，因?yàn)槿绻?fù)載或源具有一些串聯(lián)或并聯(lián)的電感或電容，并且因此具有非電阻性阻抗，則計(jì)算會(huì)變得更加復(fù)雜。在這種情況下，最好使用PI過濾器或L過濾器計(jì)算器。在大多數(shù)情況下，例如集成電路，正確制作和調(diào)諧的天線，電視和無線電接收機(jī)，發(fā)射機(jī)等。輸出/輸入阻抗=電阻。
“ Q”因子
每個(gè)LC濾波器都有一個(gè)稱為Q（品質(zhì)因數(shù)）的參數(shù)，在低通和高通濾波器中，它確定頻率響應(yīng)的陡度。低Q濾波器將具有非常寬的帶寬，不會(huì)像高Q濾波器那樣濾除不希望的頻率。高Q濾波器會(huì)濾除不需要的頻率，但會(huì)產(chǎn)生諧振峰值，因此它也將用作帶通濾波器。高Q因數(shù)有時(shí)會(huì)降低效率。
L濾鏡
L濾波器是LC濾波器的最簡(jiǎn)單形式。它們由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器組成，以類似于RC濾波器的方式連接，用電感器代替電阻器。它們可用于匹配高于或低于源阻抗的阻抗。在每個(gè)L濾波器中，只有L和C的一種組合可以使給定的輸入阻抗與給定的輸出阻抗匹配。
例如，要使14 MHz的50Ω負(fù)載與100Ω負(fù)載匹配，我們需要一個(gè)具有114pF電容器的560nH電感器–這是唯一可以在此頻率下與這些電阻匹配的組合。它們的Q因子，因此濾波器等于
√（（（R A / R B）-1）= Q
其中R A是較大的阻抗，RL是較小的阻抗，Q是連接了適當(dāng)負(fù)載的Q因子。
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），則需要PI濾波器，其Q值是完全可調(diào)的，并且您可以具有不同的L和C組合，這些組合可以在給定的頻率下為您提供所需的匹配，每個(gè)都有不同的Q。
要計(jì)算L個(gè)濾波器組件的值，我們需要三件事：源的輸出電阻，負(fù)載的電阻以及工作頻率。
例如，源的輸出電阻將為3000Ω，負(fù)載電阻將為50Ω，頻率為14 MHz。由于我們的源電阻大于負(fù)載電阻，因此我們將使用“ b”濾波器
首先，我們需要計(jì)算L濾波器的兩個(gè)組件的電抗，然后可以基于電抗和使用頻率來計(jì)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 大號(hào) =√147500Ω 2
X 大號(hào) = 384.1Ω
我們使用電抗計(jì)算器確定在14MHz時(shí)電抗為384.1Ω的電感
L = 4.37μH
X C =（R S * R L）/ X L
X C =（50Ω* 3000Ω）/384.1Ω
X c ^ = 150000Ω 2 /384.1Ω
X C = 390.6Ω
我們使用電抗計(jì)算器確定在14MHz時(shí)電抗為390.6Ω的電感
C = 29.1 pF
如您所見，濾波器的頻率響應(yīng)是一個(gè)低通，具有一個(gè)在14MHz的諧振峰，如果Q較低，則諧振峰是由濾波器具有較高的Q引起的，該濾波器將是沒有峰的低通。如果我們想要一個(gè)不同的Q，那么該濾波器將具有更高的帶寬，我們將需要使用PI濾波器，因?yàn)?/span>L濾波器的Q取決于源電阻和負(fù)載電阻。如果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至地的電容，因?yàn)樗鼈兪遣⒙?lián)的。如果我們使用集電極-發(fā)射極電容（即輸出電容）為10pF的晶體管，則C的電容應(yīng)為19.1 pF，而不是29.1 pF。
PI過濾器
的PI濾波器是一個(gè)非常通用的匹配電路，它由3層反應(yīng)性的元件，通常是兩個(gè)電容器和一個(gè)電感器。與L濾波器不同，L濾波器只有L和C的一種組合會(huì)在給定的頻率下提供所需的阻抗匹配，而PI濾波器允許C1，C2和L的多種組合來實(shí)現(xiàn)所需的阻抗匹配，每種組合都具有不同的Q.
PI濾波器更常用于需要調(diào)諧至不同負(fù)載電阻甚至復(fù)雜阻抗的應(yīng)用中，例如RF功率放大器，因?yàn)樗鼈兊妮斎胼敵鲎杩贡龋?/span>r i）由電容器平方的比值決定，因此當(dāng)調(diào)諧到不同的阻抗時(shí)，線圈可以保持不變，而僅調(diào)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(dāng)我們想要一個(gè)更寬帶的濾波器時(shí)，當(dāng)我們想要一個(gè)更銳利的濾波器時(shí)，我們?cè)?/span>Q crit之上使用Q一點(diǎn)，例如在RF功率放大器的輸出處，我們使用Q遠(yuǎn)大于Q crit但小于10的Q 作為濾波器的Q越高，效率越低。RF輸出級(jí)中PI濾波器的典型Q為7，但該值可能會(huì)有所不同。
Q Crit =√（R A / R B -1）
其中：R A是兩個(gè)（源或負(fù)載）電阻中的較高者，R B是較小的電阻。通常，可以將較高Q 的PI濾波器視為阻抗匹配，而將其視為由線圈L和電容C組成的并聯(lián)諧振電路，其電容等于：
C =（C1 * C2）/（C1 + C2）
該諧振電路應(yīng)在將使用濾波器的頻率下諧振。
要計(jì)算PI濾波器組件的值，我們需要做四件事：源的輸出電阻，負(fù)載的電阻，工作頻率和Q。
例如，我們需要將一個(gè)8Ω的源匹配到一個(gè)Q為7的75Ω負(fù)載。
R A是兩個(gè)（源或負(fù)載）電阻中的較高者，R B是較小的電阻。
X C1 = R A / Q
X C1 = 75Ω/ 7
X C1 = 10.7歐姆
我們使用電抗計(jì)算器確定在7 MHz時(shí)電抗為10.7Ω的電容
C1 = 2.12 nF
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 大號(hào) =（575 +Ω（600Ω 2 /3.59Ω））/ 50
X L =（575Ω+（167Ω））/ 50
X L = 742Ω/ 50
X L = 14.84Ω
我們使用電抗計(jì)算器確定在7 MHz時(shí)電抗為14.84Ω的電感
L = 340 nH
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 = 8Ω*√（9.38 /（49 + 1-3.38））
X C2 = 8Ω*√（9.38 / 46.62）
X C2 = 8Ω*√0.2
X C2 = 8Ω* 0.45
X C2 = 3.59Ω
我們使用電抗計(jì)算器確定在7 MHz時(shí)電抗為3.59Ω的電容
C2 = 6.3nF
只是用于MOSFET，管和BJT的輸出電容），我們需要從C1中減去它，因?yàn)樵撾娙轂榕c之并聯(lián)。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(shè)備，則C1需要為6.3 nF-0.18 nF，因此為6.17 nF。如果我們使用多個(gè)并聯(lián)的晶體管來獲得更高的輸出功率，那么電容將相加。
對(duì)于3個(gè)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。
一個(gè)PI濾波器（C3，L1，C4）用于將電子管的高阻抗（GU-50約為2500Ω）與50歐姆天線相匹配，還用于濾波諧波。C3，L1和C4都是可調(diào)的，因此功率放大器可以在不同的頻率和不同的天線阻抗下使用
其他用于阻抗匹配的LC電路
有許多用于匹配阻抗的LC電路，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）。