作者：Bird
在上一篇文章【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART13 中，我們用能量傳遞的觀點，了解到阻抗匹配的重要性。從純電阻模型的推導，得出在訊號源阻抗與負載阻抗相同時，能量傳遞會最大化的結論，接著再把這個推導擴展到複數阻抗的環境下，得到複數阻抗要匹配時，需要兩個阻抗互爲共軛阻抗的結論。
這一回我們要來看看，實務上當輸出阻抗與負載阻抗不一樣時，需要做些什麼處理。
目標阻抗 #
雖然我們利用接下來要講的電路，將訊號的特性阻抗轉來轉去，但凡是轉換必有損失，所以一般來說我們並不會任意轉換特性阻抗，而是會依循一定的標準。
什麼標準呢？之前有提過，因爲很多複雜的歷史因素，現代大部分的 RF 系統都使用 50 ohm 的特性阻抗當作標準。傳輸用的電纜是 50 ohm 的特性阻抗、各種接頭和連接器也是 50 ohm 的特性阻抗，甚至很多被動元件也都設計成 50 ohm 的特性阻抗。
舉個例子來說。陶瓷多層天線，又稱爲 ceramic chip antenna，是很常用的一種小型天線元件。我們之前曾經提過，藉由使用高介電係數的陶瓷材料，我們可以讓電磁波行進的速度變慢、波長變短，而在更小的尺寸中讓電磁波達成共振，這種天線就是利用這樣的原理做成的。
TDK 算是陶瓷零件很大的供應商，他們有一系列各式各樣的陶瓷天線產品可供選擇，我們隨便從目錄裡找一顆，ANT016008LCS2442MA1，看看它的 datasheet，找到 datasheet 裡的電氣特性 electrical characteristics：
（圖片來源：Bird 提供）
看到了嗎？這個天線的特性阻抗是 50 ohm。
而我們最常用的小型 RF 連接器，SMA connector，也是 50 ohm 的。找個 RF 連接器製造大廠的網頁，看一下 SMA connector 的規格：
（圖片來源：Bird 提供）
可以看到，這個連接器的特性阻抗也是 50 ohm。
除了我們上次提過的有線電視相關的系統使用 75 ohm 的特性阻抗以外，一般來說絕大多數的 RF 系統都是以 50 ohm 特性阻抗爲標準來設計。不管從 IC 還是其它電路出來的輸出阻抗是什麼，通常都會盡可能地把它轉換成 50 ohm 的特性阻抗，以匹配傳輸線、連接器、天線以及其它元件的特性阻抗。
（圖片來源：Bird 提供）
晶片的輸出阻抗 #
我們再來看一個關於 RF 晶片輸出阻抗的例子。
Maker 界很常用的 Wi-Fi SoC ESP8266，它的輸出阻抗是什麼樣子？
打開 ESP8266 的 datasheet，找到 electrical characteristic 那一章，裡面有關於 Wi-Fi 射頻部分的特性。
（圖片來源：Bird 提供）
可以看到它的 output impedance 是 39+j6 ohm。
這個數字看起來有點恐怖，但回想一下我們之前討論過的，這是一個複數阻抗，它由實部的電阻 39 ohm 以及虛部的電抗 j6 ohm 所組成。電抗如果是正的，就是電感性；電抗如果是負的，就是電容性；以這個例子來說，j6 這一項是正的，因此 ESP8266 的天線接腳輸出阻抗是電感性的。
事實上大部分的 RF 晶片，如果在封裝階段沒有做任何高階的處理的話，RF 接腳的輸出阻抗有很大的機會是電感性的。主要的原因是在 IC 的封裝製程中，會使用直徑 10 um 到 100 um 甚至更粗的結合線（bonding wire）將訊號從晶粒（die）表面的訊號接點（pad）連接到 IC 封裝的接腳上，而這一段細細的連接線雖然沒有捲起來，但仍然會有微小的電感特性。
阻抗匹配 #
那我們要如何將 39+6j ohm 這樣的特性阻抗轉換成 50 ohm 的阻抗呢？我們找個 ESP8266 模組來看一下。
（圖片來源：Bird 提供）
ESP-07S 是一個帶有 I-PEX 天線連接器的 ESP8266 模組。由於 I-PEX 連接器是 50 ohm 的 RF 連接器，模組上的電路一定要將 ESP8266 的輸出阻抗轉爲 50 ohm。
ESP-07S 的 datasheet 中有它的電路圖，我們來看看它怎麼做的：
（圖片來源：Bird 提供）
在電路圖中，LNA 接腳經過了一個並聯電感、串聯電容、再並聯電容的電路後，連接到 50 ohm 特性阻抗的 I-PEX 天線接頭，因此顯然這個電路可以將 39+6j ohm 的電感性特性阻抗轉換爲 50 ohm 的純電阻性特性阻抗。
（圖片來源：Bird 提供）
這個電路叫做「𝜋 型阻抗匹配網路」，它由三個元件構成，由於連接的方式像希臘字母的 𝜋 而得其名。這個電路的作用是雙向的，也就是它可以把左邊特性阻抗是 39+j6 ohm 的訊號轉爲右邊特性阻抗是 50 ohm 的訊號，也可以把右邊特性阻抗是 50 ohm 的訊號轉到左邊變爲 39+j6 ohm（由於 ESP8266 晶片的天線接腳是雙向的，它可以發射也可以接收，因此這個匹配網路一定要是雙向可以工作的）。
ESP-07S datasheet 中的電路圖並沒有告訴我們這三個零件的數值，不過我們在另一個模組 ESP-01S 的 datasheet 中找到另一個電路圖，上面有這三個零件的數值：
（圖片來源：Bird 提供）
要找到這三個零件的數值，方法有點複雜，而且它們的解可能不只一種。不過有時候其實我們並不需要三個零件，比方說，只需要兩個零件就可以將 IC 的輸出阻抗匹配到目標阻抗。
下一回開始我們要介紹一些數學工具，主要用來分析、理解特性阻抗，以及說明如何用這些數學工具來設計匹配網路、尋找匹配網路中這些零件的數值。
（責任編輯：賴佩萱）
