射頻阻抗變換器的設計與仿真

1、射頻設計的主要工作之一，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上，論述了射頻阻抗變換器的設計過程，然后通過ADS軟件進行設計和仿真,并對仿真結(jié)果進行了分析總結(jié)。關鍵詞: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型阻抗變換器的設計103.1 T型阻抗變換器（RS<RL）的設計步驟103.2 T型阻抗變換器的設計過程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

4、到“負載”。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體的電阻)對匹配網(wǎng)絡具有明顯的、不可預知的影響。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?shù)淖罱K結(jié)果，還必須考慮在實驗室中進行的RF測試、并進行適當調(diào)諧。需要用計算值確定電路的結(jié)構類型和相應的目標元件值. 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)構僅用兩個電抗性元件提供了阻抗匹配，匹配電路的設計都基于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作為一個設計參數(shù)，從而為電路設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載阻抗達到匹配，簡單說就是使Z0=ZL?？纱_保傳輸?shù)阶罱K負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載的功率最大，信號源阻抗必須等于負載的共軛阻抗，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

6、載反射到信號源，尤其是在諸如視頻傳輸、RF或微波網(wǎng)絡的高頻應用環(huán)境更是如此。阻抗變換器經(jīng)常應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用于內(nèi)阻抗匹配技術中，例如：管內(nèi)阻抗匹配問題就需要內(nèi)阻抗匹配技術，其中就用到了阻抗變換器。1.4射頻阻抗變換器設計的發(fā)展射頻阻抗變換器的設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)多為復數(shù)?，F(xiàn)今的計算機軟件仿真使設計更為方便，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。射頻電路設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計方面的應用更為方便。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載得到最大功率的一種措施，實現(xiàn)方法是使負載阻抗(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）傳輸線與負載之間的阻抗匹配。由于負載阻抗不等于傳輸線的特性阻抗，當傳輸波到達負載時將產(chǎn)生反射，因而需要在傳輸線與負載之間加入匹配裝置，消除負載的反射，從而使傳輸線工作在行波狀態(tài)。負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可能小、頻帶寬、能適應各種負載。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，另一端接負載，此負載可能是天線或任何具有等效阻抗ZL的電路。傳輸線阻抗和負載阻抗達到匹配的定義，簡單說就是使Z0=ZL。在阻抗匹配的環(huán)境中，負載端是不會反射電波的，換句話說，電磁能量完全被負載吸收。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)字數(shù)據(jù)，一個阻抗匹配的負載和電路網(wǎng)絡，將可確保傳輸?shù)阶罱K負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計負載電路使其滿足ZL= Z0的條件?？上н@是理想的情況，在設計

10、實務上，因為負載電路必須先滿足其它必需的條件，否則負載電路就無法提供應用所需的性能，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載之間加入阻抗匹配網(wǎng)絡，加入此網(wǎng)絡的目的就是為了減少傳輸線和此網(wǎng)絡之間的電波反射作用。如果阻抗匹配網(wǎng)絡是無耗損的，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負載端。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狀態(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

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VSWR=時，表示電磁波能量完全無法傳遞到負載上，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計，文中介紹了T型阻抗變換器的設計基本步驟，并對元件的數(shù)值進行了詳細的公式計算，然后確定了T型阻抗變換器的電路類型。（4）對所設計的T型阻抗變換器電路進行軟件仿真，通過電路仿真結(jié)果分析電路設計是否達到設計要求及