通信射頻電路教學(xué)課件：第五章 阻抗轉(zhuǎn)換與調(diào)諧

1、1第五章 阻抗轉(zhuǎn)換與調(diào)諧本章內(nèi)容Smith圓圖阻抗轉(zhuǎn)換阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 重點(diǎn)掌握反射系數(shù)的圖解表示形式-Smith圓圖及其應(yīng)用技巧；2元件L-型、3元件PI型/T型等集總元件/分布式元件及它們的組合式實(shí)現(xiàn)的基本阻抗轉(zhuǎn)換（匹配）電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；阻抗匹配電路設(shè)計(jì)的解析法、Smith圓圖法和CAD工具應(yīng)用方法。&6.1 Smith 圓圖電壓波反射系數(shù)與輸入阻抗的關(guān)系2電壓波反射系數(shù)與輸入阻抗之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系!3 1930年, P.H.Smith開(kāi)發(fā)出傳輸線(xiàn)輸入阻抗及反射系數(shù)的圖解分析方法, 這種圖解法稱(chēng)為Smith圓圖(Smith Chart)法。Smith圓圖在RF阻抗轉(zhuǎn)換、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),

2、增益和噪聲系數(shù)計(jì)算等方面得到非常廣泛的應(yīng)用。Smith圓圖相量形式的反射系數(shù)4解:負(fù)載短路負(fù)載開(kāi)路匹配負(fù)載電容性負(fù)載電感性負(fù)載例題: Zo=50 Ohm, ZL =0、 、50Ohm、(16.67-j16.67)Ohm、(50+j150)Ohm,5歸一化輸入阻抗歸一化輸入阻抗定義：6例題: Zo=50 Ohm, ZL = (30+j60)Ohm， f=2GHz, Vp=0.5C, 問(wèn):Z=2cm, Zin(2cm)=?解: 確定輸入阻抗,電壓/電流波必須行進(jìn)到負(fù)載后再返后到輸入源!7Smith阻抗圓圖阻抗復(fù)數(shù)平面反射系數(shù)復(fù)數(shù)平面8討論與分析1. r為常數(shù),等電阻圓圖2. x為常數(shù),等電抗圓圖9

3、3. Z=r+jx(Z平面任意阻抗), Smith阻抗圓圖由r和x圓在 范圍內(nèi)組合的Smith阻抗圓圖10 Smith導(dǎo)納圓圖導(dǎo)納復(fù)數(shù)平面反射系數(shù)復(fù)數(shù)平面11Smith導(dǎo)納圓圖由g和b圓在 范圍內(nèi)組合的Smith導(dǎo)納圓圖12Smith阻抗導(dǎo)納組合圓圖 Smith阻抗導(dǎo)納組合導(dǎo)納圓圖13 阻抗元件的固有品質(zhì)因子(Q值)1.串聯(lián)形式2.并聯(lián)形式Smith 圓圖中等 Q值圓14 諧振回路的品質(zhì)因子(Q值)諧振回路諧振回路的歸一化選頻特性Smith 圓圖中等Q值圓15Smith 圓圖中等 SWR圓Smith 圓圖中等SWR圓16端接負(fù)載的傳輸線(xiàn)輸入阻抗Smith圓圖應(yīng)用應(yīng)用Smith阻抗圓圖求解步驟1

4、. Normalize load impedance2. Find reflection coefficient3. Rotate reflection coefficient4. Record normalized input impedance5. De-normalize input impedance17例題1: Zo=50 Ohm, ZL = (30+j60)Ohm, f=2GHz, Vp=0.5C。問(wèn):Z=2cm, Zin(2cm)=?解:18串聯(lián)：例題2: 阻抗-導(dǎo)納（串,并聯(lián)）互換并聯(lián)：19 Instead of rotating the reflection coeffici

5、ent about180 degree, we keep the location fixed and rotate theentire Smith Chart by 180 degree!The Smith Chart in its original form is kept for impedance display, but a second Smith Chart is rotated by 180 degree for admittance display.20例題3: R,L,C,G串/并聯(lián)輸入阻抗/導(dǎo)納VS頻率(a)R,L并聯(lián)輸入導(dǎo)納VS頻率f=0.5-4GHz, Zo=50Oh

6、m,g=0.3,0.5,0.7,1,L=10nH。g,f固定,L變化,情況如何? 21(b)R,C并聯(lián)輸入導(dǎo)納VS頻率f=0.5-4GHz, Zo=50Ohm,g=0.3,0.5,0.7,1,C=1pF。g,f固定,C變化,情況如何? 22(c)R,L串聯(lián)輸入阻抗VS頻率f=(0.5-4GHz, Zo=50Ohm,r=0.3,0.5,0.7,1,L=10nH。R,f固定,L變化,情況如何? 23(d) R,C串聯(lián)輸入阻抗VS頻率f=0.5-4GHz, Zo=50Ohm,r=0.3,0.5,0.7,1,C=1pF。R,f固定,C變化,情況如何? 24例題4: 一端開(kāi)路傳輸線(xiàn)的輸入阻抗(電感或電容

7、元件)電感元件電容元件Creating capacitive/inductive impedances via an open-circuit transmission line(f=3GHz)25例題5: 一端短路傳輸線(xiàn)的輸入阻抗(電感或電容元件)電感元件電容元件Creating capacitive and inductive impedances via a short-circuit transmission line(f=3GHz).26&6.2 阻抗變換阻抗變換定義信號(hào)源NZL+-uocZLZ0或iscZLZ0變換網(wǎng)絡(luò)ZLZ1Z2 將一種阻抗變換為另一種阻抗,實(shí)現(xiàn)阻抗變換的電路稱(chēng)為

8、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。阻抗變換目的(1)實(shí)現(xiàn)RF信號(hào)無(wú)反射傳輸,消除端口駐波;(2)在前端（天線(xiàn)、LNA、混頻器等）改善NF,實(shí)現(xiàn)最小NF傳輸;(3)在器件間實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最大功率傳輸。27實(shí)現(xiàn)源向負(fù)載傳輸最大功率,最小化駐波比阻抗匹配條件共軛匹配條件：2829阻抗匹配電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)串并聯(lián)之路阻抗互換關(guān)系串聯(lián)支路（元件）或并聯(lián)支路的Q值例題: 計(jì)算圖（a）所示實(shí)際電路的諧振頻率其中：串聯(lián)支路-并聯(lián)支路互換后，其Q值保持不變！30諧振電路的有載品質(zhì)因子（Q）諧振電路的固有Q0： 由L、C、r構(gòu)成的諧振電路接入信號(hào)源Rs和負(fù)載RL后，由于沒(méi)有電感/電容的影響，電路的諧振頻率不變，但其諧振阻抗和Q發(fā)生了變換

9、。諧振電路的有載Qe：其中：稱(chēng)為諧振電路的空載Q阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型分立(集總參數(shù))元件匹配網(wǎng)絡(luò)分布式(傳輸線(xiàn))匹配網(wǎng)絡(luò)分立元件和分布式(傳輸線(xiàn))混合匹配網(wǎng)絡(luò)&6.3 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)(1) 分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)雙元件形匹配電路三元件T形或形匹配電路多元件匹配網(wǎng)絡(luò)電路31L型匹配電路的阻抗匹配思想32二元件L型匹配電路類(lèi)型2種L型匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8種L型匹配電路類(lèi)型33三元件匹配電路類(lèi)型2種三元件匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)T形、形匹配電路拓?fù)淙ヅ潆娐穼?shí)際上是2個(gè)L形匹配電路的級(jí)聯(lián)三元件匹配電路的阻抗匹配思想（T型電路為例） 負(fù)載阻抗首先被轉(zhuǎn)換到一個(gè)中間電阻，再將中間電阻值匹配到源阻抗值,其能選用適當(dāng)?shù)闹虚g

10、電阻值去控制匹配電路帶寬。(2) 分布式匹配網(wǎng)絡(luò)(3)分立/分布式元件混合匹配網(wǎng)絡(luò)34 多元件組合匹配網(wǎng)絡(luò)電路（含變壓器） 多元件匹配電路是多個(gè)L形或三元件匹配電路的級(jí)聯(lián)二元件L形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配禁區(qū) 應(yīng)注意到: 任何一個(gè)二元件L形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳荒軐?shí)現(xiàn)任意負(fù)載阻抗和源阻抗之間的匹配,存在一定的匹配禁區(qū)! 該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)無(wú)法將落在圖中陰影區(qū)內(nèi)的負(fù)載阻抗與50歐的源阻抗相匹配!圖中其他部分為匹配區(qū)域.各種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)35該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)無(wú)法將落在圖中陰影區(qū)內(nèi)的負(fù)載阻抗與50歐的源阻抗相匹配!圖中其他部分為匹配區(qū)域。36該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)無(wú)法將落在圖中陰影區(qū)內(nèi)的負(fù)載阻抗與50歐的源阻抗相匹配!

11、圖中其他部分為匹配區(qū)域.該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)無(wú)法將落在圖中陰影區(qū)內(nèi)的負(fù)載阻抗與50歐的源阻抗相匹配!圖中其他部分為匹配區(qū)域.37 三元件和多元件匹配網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)To permit the matching of almost any load conditionsAdded element has the advantage of more flexibility in the design process Provides quality factor design分布式(傳輸線(xiàn))阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分立/分布式元件混合匹配網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)Transmission lines and lumped capaci

12、tors; Less susceptible to parasitics;Easy to tune;Efficient PCB implementation;Small size for high frequency.38阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)滿(mǎn)足應(yīng)用要求(帶寬,插損,駐波比,等);低成本, 可靠;容易實(shí)現(xiàn). 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的任務(wù)是選擇電路拓結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)并計(jì)算出相應(yīng)元器件值! 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式源阻抗-負(fù)載阻抗負(fù)載阻抗-源阻抗39Source impedance - conjugate complex load impedance2. Load impedance - conj

13、ugate complex source impedance40例題1: 已知: f=2GHz,ZT=150+j75 Ohm, ZA=75+j15 Ohm.設(shè)計(jì)L形匹配網(wǎng)絡(luò),使天線(xiàn)能夠得到最大功率。解1: 解析法Zm=ZA*=75-j15 Ohm阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法解析法;Smith圓圖法。4142解2: Smith圓圖法Zm=ZA*=75-j15 Ohm, 設(shè)Zo= 75 Ohm1. 歸一化阻抗; zm=zA*=1-j0.2, zT=2+j1, zA=1+j0.2求解步驟2. 在Smith圓圖中畫(huà)出過(guò)源阻抗點(diǎn)的等電阻圓和等電導(dǎo)圓; 433. 在Smith圓圖中過(guò)負(fù)載阻抗的共軛復(fù)數(shù)點(diǎn)畫(huà)出等電阻

14、圓和等電導(dǎo)圓; 4. 找出第二步和第三步所畫(huà)圓的交點(diǎn)(交點(diǎn)個(gè)數(shù)確定了可能存在的L形匹配網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目);5. 先沿著相應(yīng)的圓將源阻抗點(diǎn)移動(dòng)到上述交點(diǎn),然后再沿著相應(yīng)的圓移動(dòng)到負(fù)載阻抗的共軛復(fù)數(shù)點(diǎn),根據(jù)這兩次移動(dòng)過(guò)程就能夠求出電感和電容的歸一化值;446. 根據(jù)給定的工作頻率確定電感和電容的實(shí)際值.例題2: 已知: f=2GHz,ZS=50+j25 Ohm, ZL=25-j50 Ohm, Zo=50 Ohm. 用Smith圓圖法設(shè)計(jì)L形匹配網(wǎng)絡(luò),并給出所有可能的電路結(jié)構(gòu).解:1. 歸一化阻抗應(yīng)用Smith圓圖法2. 在Smith圓圖中畫(huà)出過(guò)源阻抗點(diǎn)和負(fù)載阻抗的共軛復(fù)數(shù)點(diǎn)的等電阻圓和等電導(dǎo)圓. 3.

15、找出交點(diǎn)個(gè)數(shù),確定了可能存在的L形匹配網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目: 445阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)ADS, MWO,etc.46阻抗匹配思想47兩個(gè)純電阻之間的二元件L型匹配電路設(shè)計(jì) 將串聯(lián)支路的Xs和RL變換為并聯(lián)支路的Xsp和Rp后，再讓Xsp和Xp在工作頻率W0處并聯(lián)諧振，Xp=Xsp，只剩下電阻Rp（Rp=Rs)RsRL條件在RsQe2）若若 匹配電路的帶寬主要由源端的LC的Qe2確定（Qe2Qe1）50例題：設(shè)計(jì)一個(gè)型匹配電路，以完成源電阻Rs=150和負(fù)載電阻RL=75間的阻抗變換。工作頻率f=900MHz，且該電路帶寬要求為30MHz。解：由型匹配電路的3dB帶寬確定該電路的最大有載Qe值由于該型匹配電路最大有載Qe值由源端的LC的Qe1確定由工作頻率f=900MHz得到： L形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的頻