射頻阻抗變換器的設(shè)計與仿真

1、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(dá)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(jìn)行設(shè)計和仿真,并對仿真結(jié)果進(jìn)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 錄摘 要IABSTRACTII第一章 引 言21.1 概述21.2 射頻阻抗變換電路的類型21.3 射頻

2、阻抗變換器的用途21.4射頻阻抗變換器設(shè)計的發(fā)展3第二章 基本原理42.1 阻抗匹配42.2 史密斯圓圖52.2.1 等反射圓52.2.2 等電阻圓圖和等電抗圓圖62.2.3 Smith圓圖（阻抗圓圖）82.3 電壓駐波比9第三章 T型阻抗變換器的設(shè)計103.1 T型阻抗變換器（RS<RL）的設(shè)計步驟103.2 T型阻抗變換器的設(shè)計過程12第四章 阻抗變換器電路仿真134.1 ADS 軟件簡介134.2 T型阻抗變換器的仿真結(jié)果及分析14第五章 總結(jié)16參考文獻(xiàn)17致 謝18圖表目錄圖1. 1 T型變換電路1圖1. 2 Rs + jXs = RL - jXL時的共軛匹配2圖1. 3 天線

3、與接收端的阻抗匹配2圖2. 1 傳輸線終端連接不同的ZL在等反射圓圖的表示5圖2. 2 等電阻圓 圖2. 3 等電抗圓7圖2. 4 smith圓圖8圖3. 1 T型匹配電路10圖3. 2 T型匹配電路實際電路類型11圖3. 3 T型阻抗變換器電路12第一章 引 言1.1 概述 在處理RF系統(tǒng)的實際應(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(jìn)行匹配就是其中之一。一般情況下，需要進(jìn)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

4、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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)行的RF測試、并進(jìn)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

5、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(dá)到匹配，簡單說就是使Z0=ZL?？纱_保傳輸?shù)阶罱K負(fù)載的電磁能量值或功率能達(dá)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?。另外，為有效傳輸功率，滿足這個條件可以避免能量從負(fù)

6、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1.3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，

7、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)?，F(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(jìn)行仿真，現(xiàn)在的主流仿真軟件為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

8、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，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(dá)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

9、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(dá)到匹配的定義，簡單說就是使Z0=ZL。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(dá)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。可惜這是理想的情況，在設(shè)計

10、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抗Z0，則能量將可以透過它全部到達(dá)負(fù)載端。2.3 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(jìn)駐波或從駐波流出來。上述敘述較抽

11、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

12、 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，傳輸線阻抗完全不匹配。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(jìn)行設(shè)計，文中介紹了T型阻抗變換器的設(shè)計基本步驟，并對元件的數(shù)值進(jìn)行了詳細(xì)的公式計算，然后確定了T型阻抗變換器的電路類型。（4）對所設(shè)計的T型阻抗變換器電路進(jìn)行軟件仿真，通過電路仿真結(jié)果分析電路設(shè)計是否達(dá)到設(shè)計要求及