阻抗匹配滤波器电路设计– LC，L和PI滤波器

2020-04-26

阻抗匹配的基础知识以及如何使用阻抗匹配变压器。除了使用阻抗匹配变压器以外，设计人员还可以在RF放大器的输出端使用阻抗滤波器电路，该电路可以兼作滤波电路和阻抗匹配电路。有许多类型的滤波器电路可用于阻抗匹配，本文将讨论最常见的滤波器电路。

LC滤波器匹配

可以使用各种LC滤波器来匹配阻抗并提供滤波。滤波对功率RF放大器的输出尤为重要，因为它们会产生很多有害的谐波，这些噪声必须在天线发射之前进行滤波，因为它们会引起干扰，并且会在电台被批准发射的频率以外的频率上发射可能是非法的。我们将介绍低通LC滤波器，因为无线电功率放大器仅产生谐波，并且谐波信号始终是基本信号的整数倍，因此它们的频率始终高于基本信号–这就是为什么我们使用低通滤波器，它们在消除谐波的同时让所需信号通过。在设计LC滤波器时，我们将讨论源电阻和负载电阻而不是阻抗，因为如果负载或源具有一些串联或并联的电感或电容，并且因此具有非电阻性阻抗，则计算会变得更加复杂。在这种情况下，最好使用PI过滤器或L过滤器计算器。在大多数情况下，例如集成电路，正确制作和调谐的天线，电视和无线电接收机，发射机等。输出/输入阻抗=电阻。

“ Q”因子

每个LC滤波器都有一个称为Q（品质因数）的参数，在低通和高通滤波器中，它确定频率响应的陡度。低Q滤波器将具有非常宽的带宽，不会像高Q滤波器那样滤除不希望的频率。高Q滤波器会滤除不需要的频率，但会产生谐振峰值，因此它也将用作带通滤波器。高Q因数有时会降低效率。

L滤镜

L滤波器是LC滤波器的最简单形式。它们由一个电容器和一个电感器组成，以类似于RC滤波器的方式连接，用电感器代替电阻器。它们可用于匹配高于或低于源阻抗的阻抗。在每个L滤波器中，只有L和C的一种组合可以使给定的输入阻抗与给定的输出阻抗匹配。

例如，要使14 MHz的50Ω负载与100Ω负载匹配，我们需要一个具有114pF电容器的560nH电感器–这是唯一可以在此频率下与这些电阻匹配的组合。它们的Q因子，因此滤波器等于

√（（（R A / R B）-1）= Q

其中R A是较大的阻抗，RL是较小的阻抗，Q是连接了适当负载的Q因子。

在我们的例子中，加载的Q将等于√（（100/50）-1）=√（2-1）=√1=1。如果我们想要更多或更少的过滤（不同的Q），则需要PI滤波器，其Q值是完全可调的，并且您可以具有不同的L和C组合，这些组合可以在给定的频率下为您提供所需的匹配，每个都有不同的Q。

要计算L个滤波器组件的值，我们需要三件事：源的输出电阻，负载的电阻以及工作频率。

例如，源的输出电阻将为3000Ω，负载电阻将为50Ω，频率为14 MHz。由于我们的源电阻大于负载电阻，因此我们将使用“ b”滤波器

首先，我们需要计算L滤波器的两个组件的电抗，然后可以基于电抗和使用频率来计算电感和电容：

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 大号 =√147500Ω 2 

X 大号 = 384.1Ω

我们使用电抗计算器确定在14MHz时电抗为384.1Ω的电感

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

我们使用电抗计算器确定在14MHz时电抗为390.6Ω的电感

C = 29.1 pF

如您所见，滤波器的频率响应是一个低通，具有一个在14MHz的谐振峰，如果Q较低，则谐振峰是由滤波器具有较高的Q引起的，该滤波器将是没有峰的低通。如果我们想要一个不同的Q，那么该滤波器将具有更高的带宽，我们将需要使用PI滤波器，因为L滤波器的Q取决于源电阻和负载电阻。如果使用此电路来匹配电子管或晶体管的输出阻抗，则需要从滤波器的电容器中减去输出至地的电容，因为它们是并联的。如果我们使用集电极-发射极电容（即输出电容）为10pF的晶体管，则C的电容应为19.1 pF，而不是29.1 pF。

PI过滤器

的PI滤波器是一个非常通用的匹配电路，它由3层反应性的元件，通常是两个电容器和一个电感器。与L滤波器不同，L滤波器只有L和C的一种组合会在给定的频率下提供所需的阻抗匹配，而PI滤波器允许C1，C2和L的多种组合来实现所需的阻抗匹配，每种组合都具有不同的Q.

PI滤波器更常用于需要调谐至不同负载电阻甚至复杂阻抗的应用中，例如RF功率放大器，因为它们的输入输出阻抗比（r i）由电容器平方的比值决定，因此当调谐到不同的阻抗时，线圈可以保持不变，而仅调谐电容器。射频功率放大器中的C1和C2通常是可变的。

（C1 / C2）²= r i

当我们想要一个更宽带的滤波器时，当我们想要一个更锐利的滤波器时，我们在Q crit之上使用Q一点，例如在RF功率放大器的输出处，我们使用Q远大于Q crit但小于10的Q 作为滤波器的Q越高，效率越低。RF输出级中PI滤波器的典型Q为7，但该值可能会有所不同。

Q Crit =√（R A / R B -1）

其中：R A是两个（源或负载）电阻中的较高者，R B是较小的电阻。通常，可以将较高Q 的PI滤波器视为阻抗匹配，而将其视为由线圈L和电容C组成的并联谐振电路，其电容等于：

C =（C1 * C2）/（C1 + C2）

该谐振电路应在将使用滤波器的频率下谐振。

要计算PI滤波器组件的值，我们需要做四件事：源的输出电阻，负载的电阻，工作频率和Q。

例如，我们需要将一个8Ω的源匹配到一个Q为7的75Ω负载。

R A是两个（源或负载）电阻中的较高者，R B是较小的电阻。

X C1 = R A / Q

X C1 = 75Ω/ 7

X C1 = 10.7欧姆

我们使用电抗计算器确定在7 MHz时电抗为10.7Ω的电容

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 大号 =（575 +Ω（600Ω 2 /3.59Ω））/ 50

X L =（575Ω+（167Ω））/ 50

X L = 742Ω/ 50

X L = 14.84Ω

我们使用电抗计算器确定在7 MHz时电抗为14.84Ω的电感

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

我们使用电抗计算器确定在7 MHz时电抗为3.59Ω的电容

C2 = 6.3nF

只是用于MOSFET，管和BJT的输出电容），我们需要从C1中减去它，因为该电容为与之并联。如果我们使用具有180 pF输出电容的IRF510晶体管作为功率输出设备，则C1需要为6.3 nF-0.18 nF，因此为6.17 nF。如果我们使用多个并联的晶体管来获得更高的输出功率，那么电容将相加。

对于3个IRF510，它将是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。

一个PI滤波器（C3，L1，C4）用于将电子管的高阻抗（GU-50约为2500Ω）与50欧姆天线相匹配，还用于滤波谐波。C3，L1和C4都是可调的，因此功率放大器可以在不同的频率和不同的天线阻抗下使用

其他用于阻抗匹配的LC电路

有许多用于匹配阻抗的LC电路，例如T滤波器，晶体管功率放大器的特殊匹配电路或PI-L滤波器（带有附加电感器的PI滤波器）。