并联电容匹配结构的插损分析与优化

并联电容匹配结构的插损分析与优化

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_44584198/article/details/142886378

在射频电路设计中，阻抗匹配是一个关键环节，而并联电容常被用作匹配网络的一部分。然而，实际应用中电容并非理想器件，其非理想特性会对电路的插入损耗产生影响。本文通过仿真分析，探讨了不同容值的实际电容在匹配网络中的表现，并提出了优化方案。

有些工程师在进行阻抗匹配时，经常会使用并联电容作为匹配网络的一部分，例如将5+j5欧姆匹配到50欧姆的案例。但是，电容是否可以随意使用呢？答案是存在限制的。我们通常通过S11参数来判断阻抗是否匹配，即使S11匹配效果非常好，仍然可能存在插入损耗S21。

对于理想的微带线和理想电容器件，如果电路完美匹配，其S21的插损理论上为0dB，因为电路中没有耗能（电阻）器件。但是，实际使用的电容并非理想电容，因此对于电容的使用往往存在一些限制。下面对此进行详细分析。

具备理想电容的匹配结构插损分析

首先构建了一个基于理想微带线和理想电容的匹配电路，工作频率为2GHz，目标是将5+j5欧姆匹配到50欧姆（其中虽然使用了介质板参数，但是金属厚度为0，忽略了金属损耗）。

运行优化后，可以得到最终的匹配结果。从仿真结果可以看出，S11为-126dB，匹配非常良好，S21接近0dB，不存在插入损耗。

具备非理想电容的匹配结构插损分析

10pF村田电容

使用实际的村田电容模型（额定工作频率可达8.5GHz，电容容值为10pF）替换理想电容，其他条件保持不变。仿真结果显示，使用此实际的10pF电容模型几乎无法完成匹配任务，S11和S21的性能都非常差。

5pF村田电容

将电容替换为5pF的村田电容。仿真结果显示，虽然S11匹配得较好，但电路中出现了-0.234dB的插损。

3pF村田电容

此处直接给出仿真结果：

2pF村田电容

具备非理想电容的匹配结构插损优化

如果需要使用10pF的电容，但又不想承受过大的插损，可以采用多个小容值电容并联的方式。例如，使用5个2pF的电容并联近似为10pF，再次进行优化。

仿真结果显示，使用5个2pF电容并联的电路匹配良好，插损为-0.161dB。需要注意的是，使用单个2pF电容的插损是-0.03dB，使用五个相当于插损叠加。

结论

通过对比理想电容和实际电容在不同容值下的匹配效果，可以得出以下结论：

因此，实际应用中如果需要使用大容值电容，建议采用多个小容值电容并联的方式，以减小插入损耗。