阻抗匹配电路范文

阻抗匹配电路范文（精选5篇）

阻抗匹配电路 第1篇

1 阻抗匹配的基本原理

阻抗匹配是使微波电路或是系统的反射,载行波尽量接近行波状态的技术措施。阻抗匹配分为两大类:

(1)负载与传输线之间的阻抗匹配,使负载无反射。方法是接入匹配装置使输入阻抗和特性阻抗相等。

(2)信号源与传输线之间匹配,分为两种情况:1)使信号源无反射,方法是接入信号源与传输线之间接入匹配装置。2)信号源共轭匹配,方法是信号源与被匹配电路之间接入匹配装置,这种情况下多属于有源电路设计。

2 负载阻抗匹配方法

2.1 集总参数匹配电路

通常情况下,使用电容电感实现阻抗匹配,在比较低的频段使用变压器实现匹配,也可以采用L形、π形、T形实现匹配电路,这类电路体积小、结构简单、应用广泛。

2.1.1 变压器

主要实现低频段,随着工作频段的升高,这类电路的应用越来越少。传输线变压器可以实现宽带阻抗变换,实现4∶1和1∶4工作模式如图1和图2所示。

可以实现平衡和非平衡的变换,尤其在电视机外接天线到同轴线输入端口的连接中得到应用。

2.1.2 L形匹配电路

这类电路具有线路简洁和成本较低的优点,缺点是窄带电路。由于要考虑匹配和功率的损耗,尽量使用电感和电容性的元件,因此共有8种基本的电路可供选择。要设计合理的匹配电路就要选择合适的电容电抗元件参数,计算元件参数有两类方法:通过阻抗直接计算和通过史密斯圆图。前者的优点是计算精确且适合计算机计算,后者是一种直观有效的设计,可以充分合理地选择最优性能。现在可以通过使用计算机和功能强大的软件直接设计。

2.1.3 T形和π形电路

这类电路可以实现电路的品质因数的调节,灵活性更高。多元件的匹配电路设计能降低电路的品质因数,却可以提高频带宽度。

2.2 分布式参数元件电路匹配

(1)混合型匹配电路(中低频)这类电路设计中尽量的少用电感元件,因为它有较高的电阻损耗且寄生参数也很严重。设计中多使用电容元件的并联和传输线可以完成设计要求。

(2)单分支匹配电路并联单分支电路由一段串联的传输线和一段并联的终端开路或短路传输线构成,设计时通常取恒定的传输线的特性阻抗,通过调节传输线的长度,进行阻抗匹配设计。

(3)双分支匹配电路这类匹配电路更易于实现匹配阻抗的调节,只是设计有点复杂。

2.3 噪声匹配电路

热噪声:在电阻中电子的无规律波动将随温度的上升而增加

散粒噪声:由直流电流I0的随机变化产生,尤其是与载流的有源器件有关

放大器的总热噪输出功率

存在级联放大器特性

可以看出第一级噪声的影响最大。

当RS=RS0时,F=Fmin噪声电路匹配。

3 各匹配电路分析

4 结束语

无论是精心设计的集总参数电路还是微波电路,需认清特征,如果阻抗值要提高,用串联方式。如果阻抗值要降低,则使用并联方式,两个电抗要有相反的类型,且要产生谐振。14频率低端,多采用集总参数匹配电路,L形匹配电路是最简洁的设计,也是低端的首选。

如果电路设计中要求品质因数,可以使用T形或者π形匹配电路,因为这类电路的品质因数可调,不过也要考虑多级匹配电路,达到电路的频率响应。使用多级匹配电路设计更灵活,可以满足电路的宽带需要。分布参数匹配电路,使用在中高频段,若介于集总和分布之间的话,最好采用混合匹配电路。若使用双分支电路不能满足要求,可以考虑多级匹配电路。电路的匹配设计不是单一的,要综合考虑偏置电路、反馈电路和频率调节电路的相互连接,要反复进行设计和修改,最终达到满意效果。

摘要：阻抗匹配基本原理与概念,阻抗匹配常见于各级放大电路之间,放大电路与负载之间,信号与传输电路之间。微波电路与系统的设计中,无论是有源还是无源,都必须考虑匹配问题,其根本原因是低频电路中为电压与电流,而高频中导行电磁波不匹配就会发生严重的反射,损坏仪器和设备,文中阐述相应的解决方法。

关键词：阻抗匹配,噪声,电路

参考文献

[1]高文焕,汪蕙.模拟电路的计算机分析与设计——Pspice程序应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

[2]贾新章.OrCAD/Pspice9实用教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[3]赵震初.无线电技术基础[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[4]张肃文.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2008.

[5]REINHOLD L,PAVEL B.射频电路设计——理论与应用[M].王子宇,张肇仪,徐承和,译.北京:电子工业出版社,2004.

阻抗匹配电路 第2篇

(1) 反射系数。

(2) 反射衰减 Return loss 。

(3) 回波损耗γ= (ZL-ZC) / (ZL+ZC) RL=20㏒γ。

(4) 驻波系数 (电压驻波比、驻波比) 。

undefined

2 匹配参数的计算

阻抗匹配计算有三个要素:中心频率、Q值、电抗元件, 这部分最典型的问题是:已知负载阻抗ZL=R+jX (或者负载导纳YL=G+jB) , 设计匹配网络, 将其匹配到50欧姆。

需要运用繁琐的复数运算

undefined

最基本的匹配电路

3 匹配电路的类型

所谓阻抗变换, 一定是在谐振状态下的变换, 因此一定是跟谐振频率相关的。常见的匹配电路类型有Pi型和T型匹配。可看作两级L型匹配, 可同时满足对阻抗变换和Q值的要求。图2是两种类型的结构图。

4 匹配电路的仿真

阻抗匹配电路有相关的辅助计算工具, Smith圆图工具就是其一。smith圆图是将反射系数绘制成极坐标形式的图形, 因为反射系数是一个模不超过1的复数, 因此其取值落在一个半径为1的圆内, 故名“圆图”。在软件工具的辅助之下, 利用圆图计算匹配是非常直观的事情。该辅助工具也适用其他的阻抗变换方式。

(1) 变压器实现高低阻抗的变换。

早期音频功放上驱动低阻喇叭采用的方法以及振铃电路上使用的变压器耦合, 以驱动低阻喇叭。

(2) 传输线变压器的阻抗变换。

实现1∶4、1∶9的阻抗变换, 或者实现平衡-非平衡转换。

(3) 微带线、传输线、波导阻抗匹配。

RF、微波场合, 利用特定的传输线、波导, 作为电感、电容、互耦元件, 从而实现阻抗变换。

5 结论

对于阻抗匹配仿真结果, 应该使学生明白, 仿真是设计阶段的依据, 方案验证的手段;是调试的助手;是辅助的可靠性分析手段。阻抗匹配的教学过程和实践过程有着本质的区别, 教学过程趋于理论较多, 学生不易理解, 实践过程易懂清晰, 易于理解, 并且是电路理论教学中最重要的环节和步骤。

参考文献

[1]高文焕, 汪蕙.模拟电路的计算机分析与设计——PSPICE程序应用[M].北京:清华大学出版社, 2002.

阻抗匹配电路 第3篇

几乎每个建设电子商务系统网站的开发人员都曾会遇到过这样的问题:每当用户的需求发生变化的时候, 数据库设计人员可能要重新修改数据库表的结构以满足用户相应的要求, 同时作为系统的开发人员也要对其业务逻辑与数据库交互相关的代码进行修改。如果数据库的发生变化较大, 那么无疑增加了程序人员的工作量, 让数据库维护极其繁琐, 甚至难以得到稳定的系统。而造成这种问题的根源所在是对象-关系阻抗不匹配。

2 数据库的困惑

当前要开发任何一个大型的电子商务系统网站, 特别是一些电子商务系统开发建设中, 基本上都离不开数据库管理系统的支持, 可以说数据库管理系统为访问数据库管理系统提供了完善的服务集。但是尽管如此, 许多开发人员发现为企业系统编写数据访问代码还是一个耗时而且艰苦的过程。企业规模的数据库服务器都是高度完善的软件产品, 它们能够以某种格式保存大量的数据, 而且对快速数据访问和检索来说, 这些格式是经过全面的优化。既然能够提供如此完善的功能级别, 为什么数据库还会给开发人员带来如此的困惑呢[1]?

数据库对一个企业来说其重要性不言而喻, 企业数据对公司经营其核心业务具有决策性意义。因此, 公司将花费大量精力来保证这些重要企业资源的完整性和安全性。也正因为企业数据价值如此珍贵以及如此小心的保护, 所以为开发人员带来诸多的影响:在许多组织中, 开发团队和数据团队是独立的组织;企业数据库不只被单个应用程序使用, 而且可以被其他系统和报表工具使用;随着新系统代替旧系统, 应用程序必须能够处理旧的数据结构;如果数据是商业机密, 对信息的访问可能需要限制。

此外, 因无法使用真正和真实的数据会给项目带来大量的风险。这些风险与性能相关, 因为初步的原型无法用力验证设计是否满足系统的性能标准。当系统发布到产品环境时, 测试数据和真实数据之间的微小差异也会带来问题。大量企业文化因素制约着开发人员数据库访问相关工作, 而技术方面的因素给开发人员带来更大的痛苦。

3 面向对象的开发方法

面向对象的开发方法是人们开发大型系统最普遍使用的方法之一, 因为面向对象的方法更接近于人类的自然思维。我们知道客观世界是由各种各样的对象组成的, 每种对象都有各自的内部状态和运动规律, 不同对象之间的相互作用和联系就构成了各种不同的系统。在设计和实现一个客观系统时, 在满足需求的条件下, 把系统设计成一些不可变的 (相对固定) 部分组成的最小集合, 这就是一个好的设计。而这里提到的这些不可变的部分就是所谓的对象, 那么使用这种方法来开发一个系统, 这就是面向对象开发方法的基本思想。简单的概括就是一切皆对象。

利用用面向对象开发方法开发系统让开发人员更容易地用户需要转换到系统对于的功能上。人类在认识和理解现实世界中普遍运用的三个构造法则是区分对象及其属性、区分整体对象及其组成部分、区分及形成不同对象类。而面向对象正是基于对象及属性、类属及成员、整体及其部分这些概念基础之上的。因而它必然更容易被理解和运用。系统分析、系统设计及实现之间采用同样的角度看待问题甚至同样的表示方法来描述间题, 它们之间的连接是自然的无缝连接。这些都是符合客观世界的规律, 从而使其理解与实现起来更加容易, 进一步减少维护的费用。另外, 面向对象的继承性、抽象性和封装性等特点, 又可以减少一些不必要的重复工作, 从而帮助开发人员大大地提高工作效率。

总之, 面向对象的方法一方面更易于人们理解并映射现实世界, 另一方面可以提高软件开发效率、可靠性及可维护性。

4 对象与关系的矛盾

本文开始就谈到企业不能离开数据库, 更把数据作为自身的一种竞争优势。而目前, 基本上大部分的电子商务系统网站使用的主流数据库主要有oracle、SQL、access、db2、sqlserver, sybase等。我们从中可以发现, 这些数据库都是关系型的数据库。

所谓关系数据库, 是建立在关系模型基础上的数据库, 借助于集合代数等数学概念和方法来处理数据库中的数据。现实世界中的各种实体以及实体之间的各种联系均用关系模型来表示。现如今虽然对此模型有一些批评意见, 但它还是数据存储的传统标准。标准数据查询语言SQL就是一种基于关系数据库的语言, 这种语言执行对关系数据库中数据的检索和操作。

用符合事物本质与适应人类自身思维方式的方法来组织程序, 这就是面向对象技术, 它是软件开发本身的科学, 关注如何有效合理地组织代码, 减少程序员的编程痛苦。关系数据库管理数据, 而面向对象的应用是为业务问题建模而设计的, 由于这两种目的不同, 要使这两个模型协同工作可能具有挑战性。面向对象技术和关系数据库技术代表两种独立的、不相关的模式。

对象-关系阻抗不匹配 (object/relational impedance mismatch) 或简称为阻抗不匹配, 用来正规描述由对象向关系世界过渡的问题。由于对象和关系技术都有各自不同的目标, 因此会产生这种不匹配的问题。数据库依赖关系代数的精确计算, 这样才能以高效的规范化格式组织业务数据。面向对象设计方法超出了纯数据建模问题, 它通过一系列具有状态和行为的业务组件的互相协作定义业务流程[4]。在实际的设计与开发当中, 越来越发现面向关系的数据库是面向对象设计与开发的瓶颈!

5 对象与关系的映射 (ORM)

既然我们已经知道产生阻抗不匹配问题的根源是在开发企业系统时候, 频繁使用面向对象技术和关系技术所造成的, 那么能否取舍其一呢?从目前的技术和实践得到答案是否定的。面向对象的开发思想是符合人类认识客观事物的规律的思想方法, 应用于系统开发中也充分得到肯定。而关系数据库在可以预见的将来, 是很多企业软件中数据库技术的标准形式。另外, 一些对象数据库管理系统 (ODBMS) 或者非关系型数据库技术的尚未成熟, 在企业的应用中暂时无法证明其价值。因此在这种环境下, 一种新的技术就呼之欲出。

如何解决对象与关系之间的矛盾?对数据进行持久化, 是一个解决阻抗不匹配问题的很好方法。这里提到持久化的概念, 不同于软件相关的持久化常见定义是, 一般软件相关的持久化是指使数据的存活时间超过创建该数据的进程的存活时间。数据持久化后, 可重新获得它;如果外界进程没有修改它, 它将与持久化之前相同。持久化分为几种, 在编辑源代码文件时, 文件持久化到硬盘上, 以后可以重新获得并使用它[1]。将文件存储到硬盘上可能是最常用的一种持久化形式。但在本文中, 这里讨论的数据持久化指的是将应用数据存储在关系数据库中。

目前, 无论是商业领域还是开源社区, 都已经提供了丰富且久经考验的持久层组件。作为持久层组件的集大成者———持久层框架, 也出现了不少极为优秀的实现版本, 其中ORM持久层框架是未来的主流。所谓ORM-Object/Relation Mapper, 从字面上来理解即对象—关系数据库映射组件。这里有两个关键次, 分别是Object (对象) 和Relational (关系) , 在目前的应用系统开发建设中, 大多数情况下都必须同时面对对象和关系数据库进行开发。

在业务逻辑层和表示层中, 将系统中的各参与实体进行面向对象的封装, 并借此将现实世界中的逻辑进行高度抽象后, 以计算机语言实现;而另一方面, 在数据持久层, 迫于目前数据库技术发展的实现, 我们必须在现有的关系数据库模型上实现持久化。利用对象/关系映射 (ORM) , 就可以将对象存储到关系数据库中。ORM在对象模型和关系模型之间架起了一座桥梁, 让应用能够直接持久化对象, 而不要求开发人员在对象和关系格式之间进行转换。

6 Hibernate技术简介

在众多的持久层解决方案中, 特别应用在大型电子商务系统建设中, Hibernate发挥着极大的优势。它主要能够为开发者提供了一个强大而易用O/R映射机制, 将对象同存放于关系数据库中的数据进行映射, 可以有效地提高电子商务系统的开发效率。

Hibernate英文原意是冬眠, 其寓意是:Let Java objects hibernate in the relational database[5]。从这个角度可以体会到Hibernate架构下提供的相关技术可以实现对数据状态的持续性保存, 相信它的创造者的用意在于用这个工具将数据库连接持久化层冬眠。Hibernate是业务逻辑应用和关系数据库之间的桥梁, 负责业务对象和关系数据库之间的映射的ORM中间件。Hibernate是一个开放源代码的对象关系映射框架, 使得开发人员可以随心所欲的使用对象编程思维来操纵数据库。

在传统的数据库编程中, 开发人员要面对大量重复性代码的编写, 以实现对不同数据表中数据的获取, 并将获取的记录数据封装成对象, 在处理完成之后, 如果需要进行对象状态的存取, 需要将对象中的数据拆卸成数据库记录中的对于字段的值, 然后向数据库中进行存储。这种工作方式显然没有实现真正意义上数据存取阶段的面向对象。虽然数据存取过程中的工作步骤是基本固定的, 但是由于操作的数据表中字段列表数据的不同, 使得开发人员必须要不厌其烦地编写与相应的实体类对应的封装处理过程[1]。而Hibernate中, 类似这种重复性高、工作量大, 但是又必须保证高质量的体力活, 全部由Hibernate接管过去。Hibernate可以作为数据库和业务逻辑的应用中对应实体类之间的数据持久层的支持, 实现了实体类和数据库中对应数据表之间的对应和沟通。Hibernate是连接对象模型和关系数据模型的桥梁, 其本质上是一个提供数据库服务的中间件。Hibernate是利用数据库以及其它一些配置文件如XML映射文件来为应用程序提供数据持久服务的。

7 结束语

基于数据库应用的设计实现一直是面向关系的, 也就是说与数据库相关的处理过程并没有实现真正的面向对象。如何在数据存取的操作中实现真正的面向对象, 一直是开发人员探索的问题。而Hibernate的出现为开发者提供了一个强大而易用O/R映射机制, 让其更易于使用数据库持久化解决方案, 从而解决困扰企业与开发人员对象-关系阻抗不匹配的烦恼。

参考文献

[1]夏昕, 曹晓钢, 唐勇.深入浅出Hibernate[M].北京:电子工业出版, 2005.

[2]陈月波.电子商务解决方案[M].北京:电子工业出版社, 2002.

[3]Alan Monnox.J2EE快速开发[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[4]PATRICK PEAK, NICK HEUDECKER.Hibernate Quickly[M].Greenwich:Manning Publications Co., 2005.

大功率压电换能器的阻抗匹配研究 第4篇

随着超声技术的发展进步,超声清洗、超声焊接、超声加工等的应用已越来普及。在这些应用当中,大功率的压电换能器是最关键的部件。要使大功率压电换能器正常工作,必须经过正确的匹配[1]。因此,超声设备中的匹配电路是一个值得研究和经常引起讨论的一个题目[2,3,4,5,6]。

我们要讨论换能器的匹配问题需要结合具体的工作实际。对于超声设备的合理设计和应用而言,只有结合工作中的具体条件,才有探讨的实际意义,这里说的具体条件,包括以下几点:(1)大功率超声波发生器,要结合具体的实际,应采用方波式的开关模式;(2)匹配元件也有不可忽略的损耗;(3)换能器本身是有损耗的,并且带有的负载。本文拟针对这些具体因素,从一个新的角度来讨论匹配问题。

1 匹配的意义和换能器等效电阻的作用

在谐振频率附近,换能器的等效电路如图1a所示。图中C0为静态电容,L1,C1,R1分别为动态电感,动态电容和动态电阻。

由此图可以求得换能器阻抗Z的表达式[7]:

式中ω=2πf为角频率,。经过整理,可以将式(1)化成一个实数和一个虚数的和。这意味着换能器可以被简化为一个电抗和一个电阻的串联,如图1b所示。b图中的R和X分别为换能器的等效电阻和等效电抗。

当换能器带有负载时,可将负载等效为与动态电阻R1串联的电阻RM。在考虑换能器的实际工作状态时,图1b中的等效电阻R应当包含两部分的贡献,即代表换能器损耗的动态电阻R1和代表负载吸收的等效电阻RM。换能器振动越强烈,负载吸收的能量就越大,同时换能器的内耗也越大。反映在等效电路中,就是R消耗的功率越大。反过来,R消耗的功率越大,换能器的振动就强烈。这说明,可以把R上消耗的功率大小作为换能器工作好坏的一个判据。通过分析等效阻R得到的功率,便可确定换能器的工作状况。

当换能器用串联的电阻R和电抗X来等效时,匹配的意义变得十分清楚。图1c表示匹配前换能器上总电压V的分配情况。

2 调谐的具体方式

换能器的阻和抗随频率而变,其轨迹即阻抗圆[7]。阻抗圆的直径为X02/R1,X0为谐振频率处静态电容的容抗。图2a是一个典型的压电换能器阻抗圆图,图中的fP和fS分别是换能器的串联谐振频率和并联谐振频率。由图可以看出,换能器的电抗X随工作频率而变,其值有正有负。但在fP和fS这两个频率上,压电换能器呈容性。这也是压电换能器通常被当作容性负载的道理。而在某些情况下,换能器的阻抗圆不与横轴相交,如图2b所示。这意味着换能器的电抗恒为容性。还有一种情况是空载时换能器的阻抗圆与横轴相交,但有载时阻抗圆的直径变小,与横轴分离,电抗全部变为容性,如图2c所示。正因为如此,大功率压电换能器几乎全都采用电感调谐。

从图2可以看出,阻抗圆的圆心到横轴的距离等于X0=1/ωC0,而直径与X02成正比。如果给换能器并联一个电容[8],其效果相当于C0加大,阻抗圆将变小并向上平移。在一定的条件下,圆上各点的R会变小,这就起到了变阻作用。

变阻的另一个方法,是改变换能器的工作频率。从图2可以看出,当频率改变时,R的大小将沿着阻抗圆的圆周作大幅度变化。因此,改变换能器的工作频率,便可以在很大范围内改变其等效阻。从理论上讲,可以先在阻抗圆上确定工作点,由工作点的电抗值和频率计算出匹配电感的大小。在实际操作上,可以先调节电感,并随之调节频率,使得在这个频率上达到调谐。然后测量换能器输出,看是否达到所需要的强度;观察匹配电感的温度如何。反复调节便可以得到最佳状态。

3 匹配电感

我们常见的考察电感的技术指标主要是电感量,电感是功率超声中最常用的匹配元件,由于匹配电感常用的是大电流,因此我们还要考察他的损耗与磁饱和。

3.1 电感量

匹配电感常采用E型或U型铁氧体磁心,电感量由下式计算:

式中μ0=4π×10-7为真空磁导率,μ为材料磁导率,S为铁心截面积,单位为m2,N为线圈匝数,l为平均磁路长度,单位为m。L的单位为H。

3.2 气隙

电感铁心中的磁通密度B与电流I的关系由下式决定:

式中μ0,μ,N和l的意义同前,B的单位为T。当电流很大时,B会超过材料的饱和磁通密度Bs而造成铁心饱和。以K2B材料的E20型铁心为例,μ=2000,BS=0.45T,l=0.22m。若取N=100,当流过电流I=1A时,B的峰值约为1.61T,远大于BS。而在铁心间加入气隙可避免铁心饱和,因为气隙会大幅度地降低磁回路的磁导率,从而减小B。这时,式(3)中的μ应代之以有效磁导率μeff[9]:

上式中l为铁心中的磁路长度,l′为气隙长度,μ为材料磁导率。仍以上述器件为例,取l′=0.001m,可算出μeff=199。在N和I保持不变的情况下,铁心中的B将减少到无气隙时的十分之一。但μeff的减小同时也使L减小,要保持L不变,就需要加大匝数N,而这又会使B加大。为确定B究竟如何随N而变,由式(3)解出l,代入式(4)即得到联系B与N的重要关系式:B=LI/SN(5)

3.3 损耗

电感的损耗包括铁心损耗和线圈损耗。剩余损耗则主要取决于材料的性能。

4 匹配回路的效率

匹配电感的各种损耗可以折合成等效电阻RL,它与XL、X、R串联在一起,接在超声电源上,如图3所示。

可以看出,超声电源提供的电能只有一部分被R吸收,其余的被RL转化为热量。回路的效率可表示为:

由上式可见,比值RL/R决定了回路的效率。当RL/R很小时,回路的效率较高,发生器提供的功率主要被换能器吸收。而当RL/R较大时,回路的效率很低。这不但会使换能器工作不良,而且会造成匹配电感严重发热甚至损坏。因此,回路效率对换能器的工作状况有很大影响,可以作为评价匹配回路的一个指标。

5 结论

从以上讨论可以得出下列结论:

(1)通过增大R和减小RL可以提高匹配回路的效率。匹配回路的效率是一个值得重视的指标。

(2)匹配电感的设计需要考虑损耗、磁饱和及电感量等多种因素。串联电感是大功率超声所用的压电换能器的主要调谐方式。

(3)匹配不会改变换能器的固有参数,只能改善换能器的振动状况,匹配主要是为了得到足够的功率。增大通过R的电流或提高R两端的电压是它的两种主要方式。

(4)等效阻R能说明匹配的具体含义,同时也能反映压电换能器的工作状况。

摘要：本文从实际工作条件出发,讨论了大功率压电换能器的匹配问题。强调指出了换能器的等效阻R在分析换能器工作状况和匹配电路时的重要性,并从工程技术的角度对匹配电感的设计进行了分析,提出将效率作为衡量匹配电路的一个重要指标。

关键词：阻抗匹配,压电换能器,功率超声

参考文献

[1]鲍善惠.压电换能器的动态匹配.应用声学,1998,17(2):16-20.

[2]史敬灼,肖隽亚.超声波电动机串联电感匹配电路研究.电气应用,2008,27(12):31-34.

[3]王桂林,张德远.高频椭圆振动切削加工用超声电源的研制.电力电子技术,2008.2,42(2):43-45.

[4]乔治,钟利民.大功率超声清洗机发生器.声学与电子工程,2008.1,总89期:41-42.

[5]姜兴刚,张德远.超声换能器过固有谐振区匹配理论.机械工程学报,2007.3,43(3):182-185.

[6]东栋.超声电源换能振动系统的阻抗匹配研究.电气应用,2006,25(9):125-128.

[7]张沛霖.压电测量.北京:国防工业出版社,1983.

[8]A.Shoh.U.S.Patent 3,432,691,1969.

阻抗匹配电路 第5篇

随着以RFID为核心的物联网产业的规模的不断扩大和发展, UHF频段的RFID技术的应用越来越广泛。UHF RFID系统是一种远距离智能识别系统, 它由读写器及天线两部分组成。国内出现了很多研发生产UHF RFID读写器的企业, 但大多数企业却只能研发生产UHF RFID读写器, 却无法研发生产UHF RFID系统的另一个重要部件:天线。因为天线的研发投入非常巨大, 一般的企业难以承受, 所以只能依懒于外部采购, 更甚的是采购回来的天线也很难进行定性定量的质量测量, 天线的质量只能依靠供应商单方面的质量保证, 而这样的保证往往是不可靠的。鉴于天线质量对于UHF RFID系统的影响非常大, 因此亟需一种有效的技术来降低UHF RFID读写器对天线质量的依赖性, 而本设计通过改进传统的阻抗匹配电路, 有效地降低UHF RFID系统对天线质量的依赖。

1 UHF RFID读写器简介及问题描述

如图1所示, UHF频段的RFID读写器一般都是基于这种基础结构制作而成的, 可以看到射频前端的收发通道的隔离方式有双天线和环行器两种, 而实际应用中为了增强读写器的灵活性和降低成本都会选择后者, 即收发都用同一个天线, 收发通道之间通过一个环行器进行隔离。这种方法虽然有以上提到的优点, 但缺点同样明显, 如接收性能明显受制于环行器隔离度和天线阻抗匹配等参数。

在这种模式下, 当天线阻抗不匹配时, 天线会将部分发射功率反射回来, 造成发射效果变差, 使电子标签的接收能量变弱。而且这部分反射信号将直接通过环行器加载到接收器前端, 而这部分反射信号强度远大于电子标签的返回信号, 这强大的脉冲信号会造成混频器前端饱和, 严重干扰标签返回信号的解调, 从而使得电子标签不能被识别。

2 阻抗匹配的改进方案

上述问题是由于天线阻抗不匹配引起的, 而在射频电路中, 阻抗匹配是很重要的一环, 它的目的是使负载阻抗与源阻抗匹配, 从而获得最大的功率传输, 所以通过在环行器的前端增加一个阻抗匹配电路, 就能很好的解决该问题。但是传统的匹配电路都是固定值, 针对某种特定情况设计的, 而市面上天线种类繁多, 参数各不相同, 传统的匹配电路无法应对, 所以要对传统的匹配网络进行改优化, 使得匹配网络能自动调整, 从而适应对各种不同的天线进行匹配。

改进后的读写器基本结构图如图2所示, 在原来的基础架构上, 增加了自动匹配电路、反射信号强度检测电路两个部分, 通过对反射信号强度的检测分析, 由主处理器自动调节匹配电路, 当检测到反射信号强度少于预定值时, 则匹配成功。

3 自动匹配网络设计及仿真

阻抗匹配电路的设计方式有很多种, 但基于灵活性考虑, 本设计选用了集总参数元器件的方式, 而匹配网络结构则选用了π型结构, 因为π型结构的阻抗特性和相频特性非常适合用于进行匹配网络。所设计的自动匹配网络如下图3所示。其中, C1、C2、C5为数字可变电容, Term1为匹配网络的输入, 源阻抗为标准50欧, Term2为天线, 阻抗假设为40欧。

通过ADS对此电路进行仿真, 通过对C1、C2、C5进行调节, 自动匹配网的S参数S (2, 1) 在整个频段内均少于0.1db, 效果理想。用同样方法试验了多个不同的天线阻抗, 均获得良好的效果, 由此验证了该方案的可行性。

图3自动匹配网络设计图

4 结语

本文分析了天线差异而造成UHF RFID读写器性能下降的原因, 提出了一种阻抗匹配网络, 其能自动调整阻抗从而适应不同天线。给出了仿真经过, 验证了理论的可行性。现该电路已经广泛应用于本单位的读写器中, 实际应用情况良好。但引起读写器性能下降的因素并不止天线一个, 还有本振信号的泄漏, 如果能配合本振泄漏抵消电路一起使用的话, 读写器的性能将会得到更大的提升, 限于篇幅, 本振泄漏抵消电路需另文阐述。

参考文献

[1]游战清, 等.《无线射频识别技术 (RFID) 理论与应用》.2004, 电子工业出版社.

[2]Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko.《射频电路设计——理论与应用》.2002, 电子工业出版社.