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title: 淺談高頻系統的原理與設計—PART14：阻抗匹配(下)
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updated: "2025-04-28"
category: 高頻系統
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# 淺談高頻系統的原理與設計—PART14：阻抗匹配(下)

**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](https://makerpro.cc/2023/01/high-frequency-system-principles-and-design-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：

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/01/1-2.jpg)

（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：

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/01/2-2.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/01/3-2.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/01/4-2.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/01/5-2.jpg)

（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：

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/01/6-2.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/01/7-2.jpg)

（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：

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/01/8-2.jpg)

（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）