射頻微波電路導(dǎo)論課件西電

射頻微波電路導(dǎo)論課件西電版演示文稿目前一頁\總數(shù)八十七頁\編于三點優(yōu)選射頻微波電路導(dǎo)論課件西電版目前二頁\總數(shù)八十七頁\編于三點阻抗匹配的基本思想在傳輸線與負(fù)載之間加入無耗匹配網(wǎng)絡(luò)，通常設(shè)計成從匹配網(wǎng)絡(luò)看進(jìn)去的阻抗為Z0目前三頁\總數(shù)八十七頁\編于三點阻抗匹配的重要性體現(xiàn)在三個方面當(dāng)負(fù)載和傳輸線匹配的時候（假設(shè)信號源是匹配的），可傳輸最大功率，并且在饋線上損耗最低對阻抗匹配靈敏的接收機部件（如天線，低噪聲放大器等）可以改進(jìn)系統(tǒng)的信噪比，提高頻率響應(yīng)的線性度在功率分配網(wǎng)絡(luò)中（如天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)），阻抗匹配可以降低振幅和相位誤差目前四頁\總數(shù)八十七頁\編于三點實際的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中需要考慮的因素復(fù)雜性帶寬實現(xiàn)形式可調(diào)性目前五頁\總數(shù)八十七頁\編于三點3.1基本的阻抗匹配理論直流情況下的阻抗匹配目前六頁\總數(shù)八十七頁\編于三點輸出功率為令則所以K＝1即RL＝RS時PO有最大值目前七頁\總數(shù)八十七頁\編于三點負(fù)載電阻的取值與輸出功率的關(guān)系目前八頁\總數(shù)八十七頁\編于三點3.2共軛匹配源和負(fù)載失配源和負(fù)載都不匹配的情況下，會在傳輸線上發(fā)生多次反射避開無窮級數(shù)的分析方法，采用阻抗變換方法分析源和負(fù)載都適配的情況下的傳輸線

目前九頁\總數(shù)八十七頁\編于三點輸入端阻抗線上的電壓可以寫為在源端其中目前十頁\總數(shù)八十七頁\編于三點由兩個電壓相等把輸入阻抗的表達(dá)式代入上式，可得其中求得傳輸線上在源和負(fù)載都適配情況下的入射電壓即可得到傳輸線上任意點的電壓和電流目前十一頁\總數(shù)八十七頁\編于三點傳輸給負(fù)載的功率令目前十二頁\總數(shù)八十七頁\編于三點分三種情況來考慮負(fù)載阻抗的情況1負(fù)載與傳輸線匹配傳輸?shù)截?fù)載的功率目前十三頁\總數(shù)八十七頁\編于三點2源與帶負(fù)載的傳輸線匹配傳輸?shù)截?fù)載上的功率總的反射系數(shù)但是不一定為零，傳輸線上可能有一駐波目前十四頁\總數(shù)八十七頁\編于三點3共軛匹配思路：假定Zg固定不變，改變輸入阻抗Zin直到傳向負(fù)載最大功率，得到Zin通過線上阻抗變換就可以求得相應(yīng)的負(fù)載阻抗Zl

目前十五頁\總數(shù)八十七頁\編于三點為了使P最大，對Zin的實部和虛部求偏導(dǎo)或或（a）（b）目前十六頁\總數(shù)八十七頁\編于三點聯(lián)立(a),(b)兩式，可得共軛匹配的條件或得到得最大傳輸功率目前十七頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

在共軛匹配的情況下，和都可能不為零，也即在傳輸線上有反射波，但是傳送到負(fù)載的功率有可能要大于傳輸線上無起伏（無反射）時的傳輸功率？原因：失配線上多次反射的功率可能同相疊加的結(jié)果目前十八頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

如果源阻抗實數(shù)(Xg＝0),則Rin＝Rg,Xin＝Xg＝0時，負(fù)載上得到最大傳輸功率，這就和第二種負(fù)載情況時一致可以得到：當(dāng)源阻抗為實數(shù)時，帶負(fù)載的傳輸線與源阻抗匹配的時候，傳送到負(fù)載上的功率最大共軛匹配的另一種理解方式目前十九頁\總數(shù)八十七頁\編于三點3.3串聯(lián)與并聯(lián)元件在圓圖中的表示R與L元件的并聯(lián)目前二十頁\總數(shù)八十七頁\編于三點R與L并聯(lián)輸入阻抗在導(dǎo)納圓圖中的表示目前二十一頁\總數(shù)八十七頁\編于三點R與C元件的并聯(lián)目前二十二頁\總數(shù)八十七頁\編于三點R與C并聯(lián)輸入阻抗在導(dǎo)納圓圖中的表示目前二十三頁\總數(shù)八十七頁\編于三點R與L元件的串聯(lián)目前二十四頁\總數(shù)八十七頁\編于三點R與L串聯(lián)輸入阻抗在阻抗圓圖中的表示目前二十五頁\總數(shù)八十七頁\編于三點R與C元件的串聯(lián)目前二十六頁\總數(shù)八十七頁\編于三點R與C串聯(lián)輸入阻抗在阻抗圓圖中的表示目前二十七頁\總數(shù)八十七頁\編于三點T型網(wǎng)絡(luò)CL近似基極－發(fā)射極的結(jié)電容，RL近似基極－發(fā)射極的電阻目前二十八頁\總數(shù)八十七頁\編于三點晶體管輸入阻抗通過T型網(wǎng)絡(luò)匹配到50歐的過程目前二十九頁\總數(shù)八十七頁\編于三點3.4L型匹配網(wǎng)絡(luò)射頻工程設(shè)計主要目標(biāo)：

1滿足系統(tǒng)要求

2成本最低、可靠性最好雙元件網(wǎng)絡(luò)即L型網(wǎng)絡(luò)就是滿足工程設(shè)計要求的最簡單可行的匹配網(wǎng)絡(luò)，采用兩個電抗性元件（電感或者電容）把負(fù)載阻抗變換到需要的輸入阻抗目前三十頁\總數(shù)八十七頁\編于三點L型網(wǎng)絡(luò)的八種形式由電感和電容構(gòu)成的8種不同形式的L型匹配網(wǎng)絡(luò)目前三十一頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

復(fù)數(shù)負(fù)載連接單一電抗元件(電感或電容)的效果電抗元件與復(fù)數(shù)阻抗串聯(lián)將導(dǎo)致Smith圓圖上的相應(yīng)阻抗點沿等電阻圓移動并聯(lián)將導(dǎo)致相應(yīng)導(dǎo)納點沿等電導(dǎo)圓移動目前三十二頁\總數(shù)八十七頁\編于三點串并聯(lián)單一電抗元件在Smith圓圖中的效果連接電感參考點向Smith圓圖上半平面移動連接電容參考點向Smith圓圖下半平面移動目前三十三頁\總數(shù)八十七頁\編于三點采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)最佳功率傳輸?shù)脑O(shè)計步驟求出歸一化源阻抗和負(fù)載阻抗在Smith圓圖中過源阻抗相對應(yīng)的點畫出等電阻圓和等電導(dǎo)圓在Smith圓圖中過負(fù)載阻抗的共額復(fù)數(shù)相對應(yīng)的點畫出等電阻圓和等電導(dǎo)圓找出步驟2和3所畫圓的交點，交點的數(shù)目就是可能存在的L型匹配網(wǎng)路的數(shù)目目前三十四頁\總數(shù)八十七頁\編于三點5先沿相應(yīng)的圓將源阻抗移動到上述交點，然后再沿相應(yīng)的圓移動到負(fù)載的共軛點，求出電感或者電容的歸一化值6根據(jù)工作頻率去定電感或者電容的實際值目前三十五頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

例如：源阻抗Zs=(50+j25)歐，負(fù)載阻抗Zl=(25-j50)歐，傳輸線特征阻抗50歐，工作頻率2GHz，利用Smith圓圖設(shè)計分立雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)，給出所有可能的電路結(jié)構(gòu)目前三十六頁\總數(shù)八十七頁\編于三點1歸一化負(fù)載阻抗和源阻抗是

zs＝Zs/Z0=1+j0.5或者ys＝0.8-j0.4zl＝Zl/Z0=0.5-j1或者yl＝3+j0.8選擇從源到負(fù)載方向來設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)。通過歸一化源阻抗點畫等電阻圓和等電導(dǎo)圓通過歸一化負(fù)載阻抗點的共軛復(fù)數(shù)點畫等電阻圓和等電導(dǎo)圓目前三十七頁\總數(shù)八十七頁\編于三點過源阻抗點和負(fù)載共軛復(fù)數(shù)點的等電阻圓和等電導(dǎo)圓目前三十八頁\總數(shù)八十七頁\編于三點四個圓有A,B,C,C四個交點

zA=0.5+j0.6,yA=0.8-j1zB=0.5-j0.6,yB=0.8+j1zC=1-j1.2,yC=3+j0.5zD=1+j1.2,yD=3-j0.5

有4個交點，所以有4種可能的L型匹配網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)電感，串聯(lián)電感并聯(lián)電容，串聯(lián)電感串聯(lián)電容，并聯(lián)電感串聯(lián)電感，并聯(lián)電感目前三十九頁\總數(shù)八十七頁\編于三點目前四十頁\總數(shù)八十七頁\編于三點6根據(jù)前面步驟得到的結(jié)論得到器件的實際值。選擇經(jīng)過A點的匹配路徑求實際值目前四十一頁\總數(shù)八十七頁\編于三點四種可能的匹配網(wǎng)絡(luò)目前四十二頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

對于阻抗匹配可以從源開始向負(fù)載端匹配，也可以從負(fù)載端開始向源方向匹配阻抗匹配的方向以上述例子為例，從負(fù)載端開始向源端匹配，即從負(fù)載阻抗25－j50匹配到源阻抗的復(fù)數(shù)共軛阻抗目前四十三頁\總數(shù)八十七頁\編于三點目前四十四頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇對于任意給定的負(fù)載阻抗和源阻抗，至少存在兩種可能的L型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)規(guī)定的匹配目標(biāo)，如何選擇這些匹配網(wǎng)絡(luò)呢？網(wǎng)絡(luò)選擇需要考慮的幾個方面容易得到的元件值直流偏置穩(wěn)定性頻率相應(yīng)和品質(zhì)因數(shù)目前四十五頁\總數(shù)八十七頁\編于三點網(wǎng)絡(luò)的頻率相應(yīng)和品質(zhì)因數(shù)為了描述匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬，引入負(fù)載品質(zhì)因數(shù)概念中心頻率3dB帶寬目前四十六頁\總數(shù)八十七頁\編于三點目前四十七頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

節(jié)點品質(zhì)因數(shù)對于匹配網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點的阻抗可以表示為等效串聯(lián)阻抗或者等效并聯(lián)導(dǎo)納在每個節(jié)點，用電抗量Xs的絕對值與相應(yīng)電阻Rs的的比值來定義Qn也可以用電納量Bp的絕對值與相應(yīng)電導(dǎo)Gp的的比值來定義Qn負(fù)載品質(zhì)因數(shù)與節(jié)點品質(zhì)因數(shù)關(guān)系目前四十八頁\總數(shù)八十七頁\編于三點Smith圓圖中的等Qn線對于復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò)，有載品質(zhì)因數(shù)常常簡化為用節(jié)點品質(zhì)因數(shù)的最大值來估算目前四十九頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

例如：在1GHz頻率上使負(fù)載阻抗ZL=(25+j20)歐和50歐的源阻抗匹配，根據(jù)Smith圓圖確定網(wǎng)絡(luò)的有載品質(zhì)因數(shù)目前五十頁\總數(shù)八十七頁\編于三點目前五十一頁\總數(shù)八十七頁\編于三點兩種滿足要求的匹配網(wǎng)絡(luò)(a)低通(b)高通目前五十二頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

這兩個L型匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)Qn＝1估計出匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬匹配網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)圖(b)的網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為2.4GHz,(a)的網(wǎng)絡(luò)由于沒有下邊頻，假設(shè)頻率相應(yīng)相對于諧振頻率對稱，則帶寬大約為2GHz從頻率響應(yīng)圖可以得到，某個匹配網(wǎng)絡(luò)可能有更好的高頻或者低頻抑制特性目前五十三頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

匹配網(wǎng)絡(luò)中品質(zhì)因數(shù)的重要性當(dāng)進(jìn)行寬帶設(shè)計的時候，需要降低品質(zhì)因數(shù)以便增加其帶寬，比如寬帶放大器設(shè)計時就需要低的QL當(dāng)進(jìn)行窄帶設(shè)計的時候，需要提高網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)，以便抑制輸出信號中的有害諧波，同時增加選頻的能力，比如設(shè)計振蕩器的時候就需要高的QL對于L形網(wǎng)絡(luò)，無法控制L型匹配網(wǎng)絡(luò)的Qn，只能接收或者放棄，所以需要增加第三個元件增加Q值的可調(diào)范圍，就形成了T型或者pi型網(wǎng)絡(luò)目前五十四頁\總數(shù)八十七頁\編于三點T型匹配網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò)的有載品質(zhì)因數(shù)可以根據(jù)最大節(jié)點Qn來估算。T型匹配網(wǎng)絡(luò)與L型匹配網(wǎng)絡(luò)相比，增加的第三個元件使電路增加了一個節(jié)點，通過這個節(jié)點的選取來控制QL的值目前五十五頁\總數(shù)八十七頁\編于三點例如：設(shè)計一個T型網(wǎng)絡(luò)，要求該網(wǎng)絡(luò)將Zl=(60－j30)歐的負(fù)載阻抗變換成Zin=(10+j20)歐的輸入阻抗，且最大節(jié)點品質(zhì)因數(shù)等于3。假設(shè)工作頻率為f=1GHz，計算匹配網(wǎng)絡(luò)的元件值目前五十六頁\總數(shù)八十七頁\編于三點Z1為純電抗元件，Z1與Zl串聯(lián)的阻抗必然在r＝rL的等電阻圓上某點目前五十七頁\總數(shù)八十七頁\編于三點Z3為純電抗元件，Z1與Zin串聯(lián)的阻抗必然在r＝rin的等電阻圓上某點目前五十八頁\總數(shù)八十七頁\編于三點T型匹配網(wǎng)絡(luò)匹配過程目前五十九頁\總數(shù)八十七頁\編于三點以增加一個電路元件為代價，擴大了調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)（帶寬）的自由度目前六十頁\總數(shù)八十七頁\編于三點PI型匹配網(wǎng)絡(luò)PI型網(wǎng)絡(luò)和T型網(wǎng)絡(luò)是相對應(yīng)的一種匹配網(wǎng)絡(luò)形式目前六十一頁\總數(shù)八十七頁\編于三點例如：已知款待放大器需要一個PI型匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能將Zl=(10-j10)歐的負(fù)載阻抗變換成Zin=(20+j40)歐的輸入阻抗。要求匹配網(wǎng)絡(luò)具有最小的節(jié)點品質(zhì)因素，且匹配頻率點為f0＝2.4GHz,求個元件值目前六十二頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

由于輸入輸出阻抗是固定的，待求匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)不可能低于Zl和Zin點所對應(yīng)的最大Qn值，所以Qn的最小值可以確定為

PI型網(wǎng)絡(luò)在Qn=2的條件下采用Smith圓圖設(shè)計采用求解T型匹配網(wǎng)絡(luò)同樣的方法，過Zl和Zin點畫出等電導(dǎo)圓，再根據(jù)過Zl的點導(dǎo)圓與等Qn＝2的線的交點確定串聯(lián)元件目前六十三頁\總數(shù)八十七頁\編于三點PI型匹配網(wǎng)絡(luò)匹配過程目前六十四頁\總數(shù)八十七頁\編于三點本例中Zl和Zin的相對位置決定了只有一個PI型匹配網(wǎng)絡(luò)能夠滿足Qn＝2的條件。因為在匹配圓圖中過Zl的電導(dǎo)圓和過B點的電阻圓相切，如果負(fù)載電阻降低，將得不到符合Qn要求得匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低節(jié)點品質(zhì)因數(shù)得措施并不能無限制的增加帶寬，還要受輸入、輸出阻抗的限制目前六十五頁\總數(shù)八十七頁\編于三點3.5微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)

隨著頻率的增加，工作波長變短，分立元件的寄生參數(shù)效應(yīng)變得更明顯，設(shè)計時需要考慮寄生效應(yīng)，而且分立元件是一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，這就限制了分立元件在高頻的應(yīng)用。當(dāng)波長變得明顯小于典型元件的尺寸時，就用分布參數(shù)元件替代分立元件，微帶線替代分立元件的微帶匹配網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用。目前六十六頁\總數(shù)八十七頁\編于三點

在GHz頻段，通常采用分布參數(shù)元件和分立元件混合的方法，分布參數(shù)元件即為微帶線；分立元件中因為電感的有更高電阻性損耗，所以很少采用，應(yīng)用更廣泛的是電容。常見的混合匹配電路結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)電容的值和電容在傳輸線上的位置可以得到較寬的電路參數(shù)調(diào)節(jié)范圍目前六十七頁\總數(shù)八十七頁\編于三點例如：設(shè)計一個匹配網(wǎng)絡(luò)將ZL=(30+j10)歐的負(fù)載阻抗變換成Zin=(60+j80)歐的輸入阻抗。要求該匹配網(wǎng)絡(luò)必須采用兩端串聯(lián)傳輸線和一個并聯(lián)電容。已知兩端傳輸線的特征阻抗均為50歐，匹配網(wǎng)絡(luò)的工作頻率為f=1.5GHz目前六十八頁\總數(shù)八十七頁\編于三點在Smith圓圖中過Zl和Zin畫等駐波比圓目前六十九頁\總數(shù)八十七頁\編于三點A點取過Zl的等駐波比圓與g＝1的圓的交點得到匹配電路目前七十頁\總數(shù)八十七頁\編于三點分布參數(shù)元件和分立元件混合匹配網(wǎng)絡(luò)目前七十一頁\總數(shù)八十七頁\編于三點考察上圖中匹配電路的調(diào)諧能力輸入端的電抗隨電容在傳輸線的位置變化可以從正值變化到負(fù)值，匹配特性具有相當(dāng)大的調(diào)節(jié)范圍，對電容在傳輸線上位置敏感目前七十二頁\總數(shù)八十七頁\編于三點3.6單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)具有4個可調(diào)參數(shù)：短截線長度Ls和特征阻抗Z0s，傳輸線的長度Ll和特征阻抗Z0l目前七十三頁\總數(shù)八十七頁\編于三點例如：已知負(fù)載阻抗Zl=(60-j45)歐，采用(a)中短截線和傳輸線特性阻抗均為Z0=75歐。設(shè)計一個單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)將該負(fù)載變換為Zin=(75+j90)歐的輸入阻抗目前七十四頁\總數(shù)八十七頁\編于三點選擇短截線長度Ls的基本原則是：短截線產(chǎn)生的電納Bs能夠使負(fù)載導(dǎo)納yl變換到經(jīng)過歸一化輸入阻抗點zin的駐波比圓上目前七十五頁\總數(shù)八十七頁\編于三點等特征阻抗的短截線構(gòu)成的全微帶阻抗匹配目前七十六頁\總數(shù)八十七頁\編于三點3.7雙短截線匹配網(wǎng)絡(luò)單短截線需要在短截線與輸入端口或者短截線與負(fù)載之間插入一段長度可變的傳輸線，限制了匹配網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)性，而雙短截線匹配網(wǎng)絡(luò)能夠解決這個問題。能夠?qū)⒂泻呢?fù)載阻抗與輸入阻抗Zin=Z0匹配。目前七十七頁\總數(shù)八十七頁\編于三點兩端開路或者短路短截線ls1和ls2并聯(lián)在一段固定長度的傳輸線l2兩端，傳輸線l2通常取1/8，3/8或5/8個波長，高頻應(yīng)用通常取3/8和5/8個波長的間隔目前七十八頁\總數(shù)八十七頁\編于三點Zin=Z0,yA=1yB=yA-jbs2,在g=1的圓上，jbs2為短截線ls2產(chǎn)生的電納經(jīng)過3/8個波長的傳輸線l2，向負(fù)載方向移動270°,g=1的圓移動后成為yC圓通過改變