声表滤波器的阻抗匹配分析

黎 静

（1.武汉邮电科学研究院湖北武汉430074；2.深圳市虹远通信有限责任公司广东深圳518055）

随着移动通信的快速发展，声表滤波器的应用范围不断扩展，由于系统应用的深入，对声表滤波器的性能也提出了更高的要求。然而，在实际的射频电路应用中，出于性能运用的考虑，设计者通常将声表滤波器设计成不同的形式，将声表滤波器看作是一个网络，其对应的输入、输出就是两个端口，在实际电路中，声表滤波器需要与外部电路进行阻抗匹配，从而达到电路期望的性能。

1 声表滤波器简述

声表滤波器全称为声表面波滤波器，英文缩写为SAWF，其在通信领域有广泛的应用。声表面波滤波器是利用石英等具有压电效应特性的材料做成的。具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用同时产生弹性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转变为声信号。由于这种声波只在晶体表面传播，故将其称为声表面波。

声表滤波器的主要特点是群延迟时间偏差和频率选择性优良（可选频率范围较宽）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、可靠性高、制作的器件体小量轻。声表滤波器的特征和优点，适应了现代通信系统设备及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求[5]。其不足之处是所需基片材料的价格昂贵，对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高。声表滤波器的发展趋势主要体现在小型片式化，高频、宽带化，降低插入损耗等方面[4]。近年来国外已将声表滤波器片式化，重量能低至0.2 g；另外，由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，使声表滤波器的使用上限频率提高到2.5～3 GHz。由于移动通信系统的发射端（TX）和接收端（RX）必须经过滤波器滤波后才能发挥作用，其工作频段一般在800 MHz～3 GHz、带宽相对较窄（一般不超过30 MHz），声表滤波器符合低插损、高阻带抑制和高镜像衰减、承受功率大、低成本、小型化等特点，因此其在通信行业有广泛的应用前景[16]。

2 阻抗匹配简述

阻抗匹配的概念是射频电路设计中最为基本的概念之一，贯穿射频电路设计的始终，其是信号源和负载之间一个重要的过渡电路，其决定着系统的性能，可使系统性能达到约定准则下的最优[1-3]。如果信号传输中电路之间未能达到阻抗匹配，其输出功率既不能全部送到负载上，而且信号还会产生失真，甚至造成电路元器件的损坏。尤其在射频通信电路中，经电路传输的能量可能会反射回来，产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层以及发射机末级功放管的损坏。随着射频与微波技术的发展，传输电路的阻抗匹配是一项非常重要的工程技术指标[6，8，11]。阻抗匹配的主要思想就是设计一个阻抗匹配网络来实现阻抗变换，其简图如图1所示。

图1 阻抗匹配网络简图

阻抗匹配的通常做法是在源和负载之间插入一个无源网络，使负载阻抗与源阻抗共轭匹配，该网络也被称为匹配网络。阻抗匹配的主要作用通常有以下几点：从源到器件、从器件到负载或器件之间功率传输最大；提高接收机灵敏度（如LNA前级匹配）；减小功率分配网络幅相不平衡度；获得放大器理想的增益、输出功率（PA输出匹配）、效率和动态范围；减小馈线中的功率损耗。

3 声表滤波器阻抗匹配的方法

3.1 通用型阻抗匹配方法

为了使声表面波滤波器在电路中获得较好的性能，需要对其输出、输入端口与外部电路进行阻抗匹配。结合阻抗匹配的相关知识，将声表阻抗匹配简图概括如图2所示。

其中，PORT1表示源或负载的阻抗，PORT2分别表示声表滤波器输入或输出的阻抗。在实际电路中，通常存在两种接入方式，分别是串-并连接和并-串连接方式。

图2 声表阻抗变换简图

3.1.1 串-并连接方式

图3即串-并阻抗匹配网络简图，根据上述的两端口输入输出的阻抗值，结合阻抗匹配（共轭匹配）的条件，运用Z参数分析方法，可得到一个二元方程，其中特征因数表达式如式（1）：

通常情况下，若Dps≥0，则存在这样的匹配网络满足电路要求，否则，匹配网络不存在。

图3 串-并连接方式阻抗匹配网络

结合这个特征因数表达式，就可以计算出链路中使用元器件的相关参数。若Dps＞0时，就有两种不同的串并连接方式（若Dps=0，则只有一种连接方式）。根据特征因数和输入、输出阻抗得出如下两组解。

根据上式（2）、式（3）中各值的大小及对于给定声表面滤波器的频率，可得出相关感容值如式（4）及式（5）。

3.1.2 并-串连接方式

图4即并-串连接方式阻抗匹配网络简图。与串-并连接方式类似地分析，其特征因子表达式如下：

若Dps＞0时，就有两种不同的串并连接方式（若Dps=0，则只有一种连接方式）。根据特征因数和输入、输出阻抗得出如下两组解。

图4 并-串连接方式阻抗匹配网络

同样地，根据式（7）、式（8）中各值的大小及对于给定声表面滤波器的频率，可得出相关感容值如式（9）、及式（10）。

对于上述两种比较常用的方法，现在选用前一种方法，利用ADS仿真来进行验证。声表滤波器的输入阻抗为120Ω，中心频率972 MHz，带宽50 MHz，使用ADS仿真电路图如图5所示。外部射频电路为标准50Ω。匹配电路采用串-并连接方式，易得：

图5 ADS仿真电路图

串联电感为9.8 nH（实际运用过程中选用10 nH），并联电容为1.6 pF。

仿真结果如图6所示，据图中S11，S21曲线可知，该配方式插损小，回损抑制好，满足匹配要求。

3.2 平衡-不平衡阻抗匹配

3.2.1 单端与双端之间的等效阻抗匹配

在一些电路中，端阻抗的输入与输出均为单端不平衡的形式，对于其给定的一个阻抗匹配，可以转化成双端平衡的形式，图7给出了4种简单连接方式的匹配元件的具体值。通常在该情况下，源端与负载端的阻抗值相同。

图6 ADS仿真结果图

图7 单端不平衡和双端平衡间的等效转换图

3.2.2 单端-双端混合连接的不等阻抗匹配

双端输入或是输出方式即为差分的方式，其具有高增益、抗电磁干扰能力强、抗电源噪声、抗地噪声能力强、抑制偶次谐波等优点。目前这种接入方式也越来越多的用在了各种射频电路中。所以单端-双端混合接入方式的阻抗匹配也显得有的放矢了。图8是一种使用电容和电感连接的类似与电桥结构的一种平衡转不平衡的阻抗匹配简图。

图8 一种平衡转不平衡的阻抗匹配简图

根据输入端与输出端的阻抗值，结合匹配条件，将两个接地点当做电路中的一个节点，运用Z参数分析（PORT1阻抗Ri，PORT2阻抗R）l，可以得到相关感容器件的具体值如式（11）。

图9是运用ADS仿真软件对该类方法做出的仿真分析图，其中滤波器输入端的阻抗为150 Ω，中心频率为1.95 GHz，带宽60 MHz，外部电路的阻抗为50 Ω，由上述方法易得其匹配电路中电容值约为1 pF，电感值约为6.4 nH。

图9 ADS仿真电路图

仿真结果如图10，据图中S11，S21曲线可知，该匹配方式插损小，整个S11较平滑，整体回损抑制较小，满足匹配要求[7]。

图10 ADS仿真结果图

当然，目前巴伦也广泛的用于平衡装不平衡的阻抗匹配中，可根据源端和负载的阻抗比来选择相应的巴伦，转化成双端口之后，在借鉴3.1节中的方法即可完成相应的阻抗匹配[13-14]。

4 结束语

由于目前声表滤波器被广泛的用于各种通信电路中，本文旨在提供一些常用链路中声表滤波器的阻抗匹配方法，从而使声表面滤波器能最大的发挥其在链路中的作用，涉及到了一些实际应用电路中的接入方法，当然在实际应用过程中，还应注意所使用PCB基板的材料和线路布局等因素。

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