阻抗變換器的設(shè)計與仿真(共14頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要射頻設(shè)計的主要工作之一，就是使電路的某一部分與另一部分相匹配，在這兩部分之間實現(xiàn)最大功率傳輸，這就需要在射頻電路中加入阻抗變換器從而達到阻抗匹配的目的。本文介紹了一種中心頻率為400MHz、頻寬為40MHz的5075歐姆T型阻抗變換器的設(shè)計與仿真過程。文中概述了射頻阻抗變換器的種類、用途及發(fā)展。在分析了阻抗匹配理論基本知識的基礎(chǔ)上，論述了射頻阻抗變換器的設(shè)計過程，然后通過ADS軟件進行設(shè)計和仿真,并對仿真結(jié)果進行了分析總結(jié)。關(guān)鍵詞:射頻；阻抗匹配；阻抗圓圖；VSWR（電壓駐波比）；ADS目 錄表目錄專心-專注-專業(yè)第一章 引 言1.1 概述 在處理RF系統(tǒng)的實際

2、應(yīng)用問題時，總會遇到一些非常困難的工作，對各部分級聯(lián)電路的不同阻抗進行匹配就是其中之一。一般情況下，需要進行匹配的電路包括天線與低噪聲放大器(LNA)之間的匹配、功率放大器輸出(RFOUT)與天線之間的匹配、LNA/VCO輸出與混頻器輸入之間的匹配。匹配的目的是為了保證信號或能量有效地從“信號源”傳送到“負(fù)載”。在高頻端，寄生元件(比如連線上的電感、板層之間的電容和導(dǎo)體的電阻)對匹配網(wǎng)絡(luò)具有明顯的、不可預(yù)知的影響。頻率在數(shù)十兆赫茲以上時，理論計算和仿真已經(jīng)遠遠不能滿足要求，為了得到適當(dāng)?shù)淖罱K結(jié)果，還必須考慮在實驗室中進行的RF測試、并進行適當(dāng)調(diào)諧。需要用計算值確定電路的結(jié)構(gòu)類型和相應(yīng)的目標(biāo)元件

3、值. 1.2 射頻阻抗變換電路的類型L型電路阻抗匹配：此型電路結(jié)構(gòu)僅用兩個電抗性元件提供了阻抗匹配，匹配電路的設(shè)計都基于Q因數(shù)。型變換電路：在L型匹配電路中引入第三個電路元件，即在串聯(lián)元件的另一個并聯(lián)電納，就可以把電路的Q作為一個設(shè)計參數(shù)，從而為電路設(shè)計提供了必要的靈活性。T型變換電路：T型變換電路如圖1.1所示，它是一個雙重型變換電路。然而在這個電路中，串聯(lián)電抗X1首先把電抗提高到，而余下的并聯(lián)電納降低電阻。圖1. 1 T型變換電路 其余還有分支電容變換器、并行雙調(diào)諧變換器（需精確控制寬帶時使用）。1.3 射頻阻抗變換器的用途阻抗變換器是使傳輸線阻抗和負(fù)載阻抗達到匹配，簡單說就是使Z0=ZL

4、?？纱_保傳輸?shù)阶罱K負(fù)載的電磁能量值或功率能達到最大量。要使信號源傳送到負(fù)載的功率最大，信號源阻抗必須等于負(fù)載的共軛阻抗，即Rs + jXs = RL - jXL圖1. 2 Rs+jXs=RL-jXL時的共軛匹配在這個條件下，從信號源到負(fù)載傳輸?shù)哪芰孔畲蟆Ａ硗?，為有效傳輸功率，滿足這個條件可以避免能量從負(fù)載反射到信號源，尤其是在諸如視頻傳輸、RF或微波網(wǎng)絡(luò)的高頻應(yīng)用環(huán)境更是如此。阻抗變換器經(jīng)常應(yīng)用在天線與低噪聲放大器(LNA)之間的匹配、功率放大器輸出(RFOUT)與天線之間的匹配、LNA/VCO輸出與混頻器輸入之間。例如：天線的阻抗匹配就需要在天線與接收端之間加入射頻阻抗變換器，電路圖如圖1.

5、3所示。圖1. 3 天線與接收端的阻抗匹配阻抗變換器還可應(yīng)用于內(nèi)阻抗匹配技術(shù)中，例如：管內(nèi)阻抗匹配問題就需要內(nèi)阻抗匹配技術(shù)，其中就用到了阻抗變換器。1.4射頻阻抗變換器設(shè)計的發(fā)展射頻阻抗變換器的設(shè)計方法由原先的手工計算、史密斯圓圖法，發(fā)展到了現(xiàn)今使用的計算機軟件仿真。原先的手工計算是一種極其繁瑣的方法，因為需要用到較長計算公式、并且被處理的數(shù)據(jù)多為復(fù)數(shù)。現(xiàn)今的計算機軟件仿真使設(shè)計更為方便，而且通過其仿真結(jié)果可以得到電路的噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比、增益及電路的穩(wěn)定性等指標(biāo)。射頻電路設(shè)計的仿真軟件也在不斷的發(fā)展，之前射頻電路仿真主要用ANSOFT、Microwave office軟件進行仿真，現(xiàn)在

6、的主流仿真軟件為ADS仿真軟件，此軟件在射頻電路的仿真分析與設(shè)計方面的應(yīng)用更為方便。第二章 基本原理2.1 阻抗匹配阻抗匹配是電路學(xué)里的重要議題，也是射頻微波電路的重點。傳輸線的阻抗匹配通常有以下兩種類型：（1）信號源與傳輸線之間的阻抗匹配。由于信號源的內(nèi)阻抗不等于傳輸線的特性阻抗。因而需要在信號源與傳輸線之間加入匹配裝置。信號源與傳輸線的阻抗匹配又有兩種情況： 信號源的共軛匹配。信號源的共軛匹配是指負(fù)載得到最大功率的一種措施，實現(xiàn)方法是使負(fù)載阻抗(即傳輸線入端的輸入阻抗)等于信號源內(nèi)阻抗的共軛值，此時負(fù)載吸收的功率為最大(可以證明)。 信號源的阻抗匹配。信號源的阻抗匹配是指選擇信號源內(nèi)阻使或

7、，滿足的電源稱為匹配源，實用中的條件難以完全滿足，為此通常在信號源后接一隔離器，吸收反射波。（2）傳輸線與負(fù)載之間的阻抗匹配。由于負(fù)載阻抗不等于傳輸線的特性阻抗，當(dāng)傳輸波到達負(fù)載時將產(chǎn)生反射，因而需要在傳輸線與負(fù)載之間加入匹配裝置，消除負(fù)載的反射，從而使傳輸線工作在行波狀態(tài)。負(fù)載與傳輸線之間的阻抗匹配方法很多。對這類匹配裝置的基本要求是引入的附加損耗應(yīng)可能小、頻帶寬、能適應(yīng)各種負(fù)載。常見的基本匹配裝置有三類：階梯阻抗變換器、支節(jié)匹配器和指數(shù)線匹配器。一般的傳輸線都是一端接電源，另一端接負(fù)載，此負(fù)載可能是天線或任何具有等效阻抗ZL的電路。傳輸線阻抗和負(fù)載阻抗達到匹配的定義，簡單說就是使Z0=ZL

8、。在阻抗匹配的環(huán)境中，負(fù)載端是不會反射電波的，換句話說，電磁能量完全被負(fù)載吸收。因為傳輸線的主要功能就是傳輸能量和傳送電子訊號或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，一個阻抗匹配的負(fù)載和電路網(wǎng)絡(luò)，將可確保傳輸?shù)阶罱K負(fù)載的電磁能量值能達到最大量。最簡單的阻抗匹配方法是設(shè)計負(fù)載電路使其滿足ZL= Z0的條件?？上н@是理想的情況，在設(shè)計實務(wù)上，因為負(fù)載電路必須先滿足其它必需的條件，否則負(fù)載電路就無法提供應(yīng)用所需的性能，這通常都會影響它和傳輸線的阻抗匹配。解決方案是在傳輸線與最終負(fù)載之間加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，加入此網(wǎng)絡(luò)的目的就是為了減少傳輸線和此網(wǎng)絡(luò)之間的電波反射作用。如果阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是無耗損的，而且其輸入阻抗ZL等于傳輸線的特性阻

9、抗Z0，則能量將可以透過它全部到達負(fù)載端。2.2 史密斯圓圖Smith圓圖是解決傳輸線、阻抗匹配等問題的有效圖形工具。2.2.1 等反射圓等反射圓是一組同心圓，半徑為01。等反射圓可以用來表示向量形式的反射系數(shù)。傳輸線的反射系數(shù)0的表達式為 （2-1）其中 L=arctan(0i/0r) 。圖2. 1 傳輸線終端連接不同的ZL在等反射圓圖的表示 2.2.2 等電阻圓圖和等電抗圓圖1.歸一化阻抗公式 一端連接負(fù)載無耗傳輸線的輸入阻抗可表示為 (2-2) 式中，Z0為特性阻抗。對傳輸線的特性阻抗進行歸一化處理可得 (2-3)式中，Zin為歸一化阻抗。用分母的復(fù)共軛乘以上式的分子和分母，得到 (2-

10、4)可分別求得歸一化電阻r和電抗x的表達式為 (2-5) (2-6) 重新排列后得 (2-7) (2-8)2.等電阻圓和等電抗圓公式（2-7）和公式（2-8）分別表示直角平面和上的兩組圓，等電阻圓如圖2.2所示，等電抗圓如圖2.3所示。圖2. 2 等電阻圓 圖2. 3 等電抗圓(1) 等電阻圓對于等電阻圓有 半徑： 圓心： r的范圍是0r。當(dāng)r=0時，圓的中心在原點，半徑為1。當(dāng)r=1時，圓的中心向正方向位移1/2單位，半徑為1/2。當(dāng)r時，圓的中心位移收斂到+1點，圓的半徑0。(2) 等電抗圓對于等電抗圓 半徑： 圓心：x的范圍為x,x可為負(fù)（即電容性），也可為正（即電感性）。所有的圓的中心

11、都在過點并垂直于實數(shù)軸（）的線（虛線）上。對于x=，可以得到一個半徑為零的圓，即是位于和的一個點。當(dāng)x0時，圓的半徑和圓的中心沿著垂直于實數(shù)軸（）的線（虛線）的位移趨于無限大。從圖3可以看出，代表電感性阻抗的正值位于平面的上半部分，代表電容性阻抗的負(fù)值位于平面的下半部分。2.2.3 Smith圓圖（阻抗圓圖）將等電阻圓和等電抗圓組合在一起，在的圓內(nèi)可得到如圖2.4所示的Smith圓圖。在Smith圓圖中，上半部分x為正數(shù)，表示阻抗具有電感性，下半部分為x為負(fù)數(shù)，表示阻抗具有電容性。水平軸表示的是純電阻。圓圖上的任何一點描述的是電阻和電抗的串聯(lián)，即z=r+jx形式。圖2. 4 smith圓圖2.

12、3 電壓駐波比兩頻率相同、振幅相近的電磁波能量流面對面地相撞在一起，會產(chǎn)生駐波，這種電磁波的能量粒子在空間中是處于靜止?fàn)顟B(tài)的，此暫停運動的時間長度比兩電磁波能量流動的時間要長。因為駐波的能量粒子是靜止不動的，所以，沒有能量流進駐波或從駐波流出來。上述敘述較抽象，但是這里舉個類似的例子，就可說明什么是駐波：做個物理實驗，將兩個口徑、流速都相同的水管，面對面相噴，在兩水管之間將會激起一個上下飛奔的水柱，這個水柱就是駐波。如果是在無地心引力的空間中，這個水柱將靜止在那里不會墜地。 電磁波在傳輸線流動，入射波和反射波相遇時就會產(chǎn)生駐波。在阻抗不匹配的情況下, 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反

13、射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅max ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅min ，形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。 反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為，即 反射波幅度 （L0） 入射波幅度 （L0）波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為 VSWR 波腹電壓幅度 max （1 + ） VSWR 波節(jié)電壓輻度 min （1 ） 終端負(fù)載阻抗L 和特性阻抗0 越接近，反射系數(shù)越小，駐波比VSWR 越接近于1，匹配也就越好。當(dāng)VSWR=時，表示電磁波能量完全無法傳遞到負(fù)載上，傳

14、輸線阻抗完全不匹配。第三章 T型阻抗變換器的設(shè)計3.1 T型阻抗變換器（RS<RL）的設(shè)計步驟步驟1：決定工作頻率fc、負(fù)載Q值、輸入阻抗RS及輸出阻抗RL。并求出 Rsmall=min(RS,RL)步驟2：依圖3.1中所示及下列公式計算出、。， ，圖3. 1 T型匹配電路步驟3：根據(jù)電路選用元件的不同，可有4種形式。如圖3.2（a）、（b）、（c）、（d）所示。其中電感、電容值的求法為：， （a） (b) (c) (d) 圖3. 2 T型匹配電路實際電路類型3.2 T型阻抗變換器的設(shè)計過程設(shè)計一中心頻率為400MHz，頻寬為40MHz的5075T型阻抗變換器（，）。步驟1：決定工作頻率

15、，負(fù)載Q值=400/40=10,輸入阻抗及 輸出阻抗。 求出：步驟2：根據(jù)圖3.1所示及下列公式計算出、。；步驟3: 根據(jù)電路選用元件的不同，有4種組成形式。如圖3.2所示，選用圖3.2(C)所示電路，其電感、電容值的計算如下 將計算出的LS1、CP2、LS2、CP2所對應(yīng)的元件代入圖3.1中，便可得到T型阻抗變換器電路,如圖3.3所示。圖3. 3 T型阻抗變換器電路第四章 阻抗變換器電路仿真4.1 ADS 軟件簡介ADS Advanced Design System，由美國Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是當(dāng)今業(yè)界最流行的微波射頻電路、通信系統(tǒng)、RFIC設(shè)計軟件；也是國內(nèi)

16、高校、科研院所和大型IT公司使用最多的軟件之一。其功能非常強大，仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設(shè)計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計效率，是非常優(yōu)秀的微波射頻電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計工具。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計，通信系統(tǒng)的設(shè)計，RFIC設(shè)計，DSP設(shè)計和向量仿真。4.2 T型阻抗變換器的仿真結(jié)果及分析本文設(shè)計仿真所用軟件為ADS軟件，ADS軟件在射頻電路的仿真分析與設(shè)計方面的應(yīng)用非常方便，對信號特性可進行S參量仿真，設(shè)計仿真電路如圖4.1所示圖4. 1 T型阻抗變換器仿真電路對上圖所示電路進行S參數(shù)

17、仿真，結(jié)果如圖4.2所示圖4. 2 T型阻抗變換器電路仿真結(jié)果從仿真結(jié)果圖中可看出，S(1,1)代表電路反射系數(shù)，S（1,1）波谷的頻率為電路工作中心頻率400MHz，此時反射系數(shù)為最小值，從電壓駐波比角度分析可知終端負(fù)載阻抗L和特性阻抗0 越接近，反射系數(shù)越小，駐波比VSWR 越接近于1，匹配也就越好。S(2,1)代表電路的傳輸系數(shù)，S(2,1)波峰的頻率也為電路工作中心頻率400MHz，此時傳輸系數(shù)為最大值，說明此電路可確保傳輸?shù)阶罱K負(fù)載的能量和傳送電子訊號或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)能達到最大量。還可由圖看出S(1,1)波谷的頻率和S（2,1）波峰的頻率同為電路的工作頻率400MHz，說明此時電路既能達到最大值的輸出又能最大量的減少反射。并且在電路要求的頻寬（40MHz）范圍內(nèi)也有較大的傳輸系數(shù)和較小的反射系數(shù)。由以上對仿真結(jié)果的分析可說明此T型阻抗變換器的電路設(shè)計和元件數(shù)值計算是正確的。第五章 總結(jié)本論文研究的是射頻阻抗變換器，目的是使電路的輸入阻抗與輸出阻抗相匹配，具體實現(xiàn)的是一中心頻率為400MHz，頻寬為40Mhz的5075歐姆T型阻抗變換器。本設(shè)計具體總結(jié)如下：（1）概述了射頻阻抗變換器的種類、用途及發(fā)展。（2）對基本理論的論述，其中主要闡述了阻抗匹配、阻抗圓圖、電壓駐波比的基本知識。（3）對T型阻抗變換器的電路進行設(shè)計，文中介紹了T型阻抗變換器的設(shè)計基本