毕业设计--射频-微波匹配网络设计.doc

毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 附表一附表一 题目来源：题目来源：科研 课题名称课题名称 设计人姓名设计人姓名学号学号指导教师姓名、职称指导教师姓名、职称 指导时间指导时间/地点地点专业班级专业班级 一、设计（论文）内容一、设计（论文）内容 用 ADS 软件，设计集总参数匹配网络：L形匹配网络、形匹配网络、形匹配网络； 设计分布参数匹配电路：单支节匹配网络、双支节匹配网络、4/阻抗匹配网络。 二、设计（论文）的主要技术指标二、设计（论文）的主要技术指标 1、设计集总参数L形匹配网络 中心频率为 1GHz，负载由 10电阻和 1.6nH 电感串联而成，要求使负载与 50的 传输线相匹配。 2、设计集总参数形匹配网络 中心频率为 1GHz，负载由 80的电阻和 2.65pF 的电容串联而成，要求负载与 50 的传输线相匹配。 3、设计集总参数形匹配网络 中心频率为 1GHz，负载由 80的电阻和 2.65pF 的电容串联而成，要求负载与 50 的传输线相匹配。 4、设计单支节匹配网络 中心频率为 2GHz，负载阻抗为（38.5-j41.5），支节特性阻抗为 50，传输线特 性阻抗 50，要求负载与 50的传输线相匹配，微带线基板厚度为 1mm，微带线相对介 电常数为 5.3。 5、设计双支节匹配网络 中心频率为 2GHz，负载阻抗为 80，要求负载与 50的传输线相匹配，微带线基 板厚度为 0.5mm，相对介电常数为 9.6，支节 1 的特性阻抗为 60，支节 2 的特性阻抗为 70。 6、设计4/阻抗匹配网络 中心频率为 2GHz，频带宽度为 0.2GHz，负载阻抗为 40，最大电压反射系数为 0.1，要求负载与 50的传输线相匹配，微带线基板的厚度为 0.5mm，微带线相对介电常 数为 9.6。 三、进度安排三、进度安排 1、2 月下旬：收集与论文题目相关的经典教材和学术著作；选定英文科技文献翻译材 料。 2、3 月上旬：阅读教材和著作；翻译文献。 3、3 月下旬：确定课题思路，学习理论知识；修改翻译内容。 4、4 月上旬：选择仿真工具并学习使用方法。 5、4 月下旬：对设计进行仿真，观察实验数据并整理记录。 6、5 月上旬：完成论文初稿。 7、5 月下旬：规范书写格式并完善细节，等待答辩。 四、毕业设计（论文）提交的文档及基本要求四、毕业设计（论文）提交的文档及基本要求 1毕业论文一份（包含封皮、目录、中英文摘要、内容及参考文献）毕业论文一份（包含封皮、目录、中英文摘要、内容及参考文献） 2不少于不少于 5000 汉字的科技翻译资料一份汉字的科技翻译资料一份 3、毕业论文简介（、毕业论文简介（A4 纸纸 12 页）页） （包含题目、专业、年级、姓名、指导教师、毕业论文所做的工作、（包含题目、专业、年级、姓名、指导教师、毕业论文所做的工作、 解决的问题、创新之处等）解决的问题、创新之处等） 4毕业设计任务书毕业设计任务书 5开题报告开题报告 6毕业设计工作中期检查表毕业设计工作中期检查表 毕业设计开题报告 附表二附表二 2013 年年 3 月月 1 日日 课题名称课题名称射频/微波匹配网络设计 学生姓名学生姓名学号学号专业班级专业班级 一、选题的目的意义一、选题的目的意义 在射频电路的设计中，阻抗匹配是最重要的概念之一。匹配网络的实质是实现阻抗变 换，使负载与传输线匹配或使负载与信源匹配。因为匹配关系到系统的传输效率、功率容 量和工作稳定性，所以是电路和系统设计时必须考虑的问题。 二、国内外研究综述二、国内外研究综述 射频电路的设计方法与低频电路的设计方法有很大的不同，因为随着频率的提高传输 波的波长也降低到了可以和电路元件相比拟的状态，在此情况下，电路电压和电流都不再 保持不变，这就增加了匹配网络设计和仿真测试的难度。然而，随着科技的发展，射频电 路的设计越来越复杂，指标要求越来越高，设计周期却越来越短。因此，使用软件工具已 经成为射频电路设计的必然趋势。目前，ADS（Advanced Design System）软件是在国内外 高校、科研院所和大型 IT 公司中最流行的射频微波电路设计仿真工具，该软件功能强大， 仿真手段丰富多样，是广受射频工程师们认可的工程软件。 一般的传输线电路包含信号源、传输线和终端负载，所以主要考虑两种匹配情况： 传输线与终端负载的匹配 传输线与信号源的匹配。 总的来说，匹配网络的设计大致分 三种，即集总参数元件匹配网络设计、分布参数元件匹配网络设计和混合参数元件匹配网 络设计。 集总参数匹配网络是由串联或并联的电感或电容构成的，一般分 L 形匹配网络、形 匹配网络和形匹配网络三种。 分布参数匹配网络是由串联支节或并联支节构成的，由于微带线是射频电路中比较理 想的传输线，所以，一般来说，支节是由微带线实现的。分布参数匹配网络一般分单支节 匹配网络、双支节匹配网络和4/阻抗匹配网络。 混合参数元件匹配网络有集总参数的电容，于是比全部采用分布参数的匹配网络更紧 凑，这种网络由两段传输线及之间一个并联电容构成结构的，这种结构的优点在于可实现 任意阻抗变换，只需通过调整电容值和电容值在微带线上的位置就可以很方便灵活地调整 电路参数，因此具有很好的应用前景。 三、毕业设计（论文）所用的方法三、毕业设计（论文）所用的方法 首先，介绍课题所需的理论基础，即传输线理论和阻抗圆图的使用方法。 其次，结合设计实例使用理论知识进行匹配网络设计。 然后，使用 ADS2009 射频仿真软件对匹配网络设计方案进行软件仿真，观察并记录电 路性能的仿真数据。 最后，通过综合各匹配网络的仿真结果说明使用 ADS 软件进行匹配网络设计的可行性。 四、主要参考文献与资料获得情况四、主要参考文献与资料获得情况 1 黄玉兰射频电路理论与设计北京：人民邮电出版社，2011 2 黄玉兰ADS 射频电路设计基础与典型应用北京：人民邮电出版社，2010 3 朱进，尹园威，刘超射频电路匹配网络的分析与设计 信息技术2011 年 8 期 4 徐兴福ADS2008 射频电路设计与仿真实例电子工业出版社，2009 5 黄秋元，董诗波射频电路中匹配网络的设计与分析武汉理工大学学报第 31 卷 第 6 期 6 陈艳华，李朝晖，夏玮ADS 应用详解射频电路设计与仿真人民邮电出版社， 2008.9 7 孟庆斌，黄贵兴，葛付伟，李维祥一种低噪放多级匹配网络的设计与仿真微波 学报 2012 年 6 月第 28 卷第 3 期 8 刘凤格匹配电路设计软件的实现与验证电讯技术 2010 年 6 月第 50 卷第 6 期 9 尹川，姚毅基于 ADS 射频电路匹配网络的建立荆楚理工学院学报 2010 年第 9 期 10 陈蓓锋，刘学观双支节阻抗匹配网络的实现现代电子技术 2007 年第 23 期 11 陈晓玲，刘敏，王艳芬，盛春玲阻抗匹配的原理与应用硅谷 2008 年 22 期 12 王翠珍，吴凌燕，陈世夏电路阻抗匹配网络的设计科技信息 2009 年 33 期 13Reinhokl Ludwig， Pavel BretchkoRF Circuit Design and Application科学出版社， 2002 14Patrick ScheeleContinuously Tunable Impedance Matching Network Using Ferroelectric VaractorsIEEE，2005 五、指导教师审批意见五、指导教师审批意见 题目切实可行，研究思路正确，资料获得情况良好。文献阅读广泛，所用方法合理， 同意开题。 签字：签字： 年年 月月 日日 毕业设计工作中期检查毕业设计工作中期检查 附表三附表三 2013 年年 3 月月 16 日日 课题名称课题名称 姓姓 名名专业和班级专业和班级指导教师指导教师 一、一、毕业设计具体内容、目标和可能遇到的问题毕业设计具体内容、目标和可能遇到的问题 设计内容与目标： 1、设计集总参数L形匹配网络 中心频率为 1GHz，负载由 10电阻和 1.6nH 电感串联而成，要求使负载与 50的传 输线相匹配。 2、设计集总参数形匹配网络 中心频率为 1GHz，负载由 80的电阻和 2.65pF 的电容串联而成，要求负载与 50 的传输线相匹配。 3、设计集总参数形匹配网络 中心频率为 1GHz，负载由 80的电阻和 2.65pF 的电容串联而成，要求负载与 50 的传输线相匹配。 可能遇到的问题： 1、不太熟悉 ADS 软件中英文表示的那些元件列表的意思，并且有的两个元件面板里 的一些元件图标比较相似不易区分，只能通过查阅软件学习教程才能明白。 2、形匹配网络和形匹配网络都是三元件匹配网络，要从归一化阻抗所在点开始 先后在史密斯阻抗圆图或导纳圆图上进行三次旋转才能回到匹配点，这三次旋转是相互关 联的，每一次旋转都影响到最后是否能回到匹配点，所以这个地方是难点，只能通过多次 尝试才可以。 二、二、采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 1、研究方法：使用 ADS 软件设计匹配网络并做原理图仿真，根据仿真结果判断设计可 行性。 2、技术路线： 集总参数L形匹配网络：从负载端向传输线方向看去，先串联=5.30pF 的电容，再 1 C 并联一个=3.98nH 的电感，并使电感接地。 1 L 集总参数形匹配网络：从负载端向传输线方向看去，先串联=15.62nH 的电感， 1 L 然后并联一个=30.78nH 的电感，并使电感接地，最后再串联=3.21pF 的电容。 2 L 1 C 集总参数形匹配网络：从负载端向传输线方向看去，先并联=5.20nH 的电感，然 1 L 后串联一个=10.46pF 的电容，然后再并联=5.62pF 的电容，最后使和接地。 1 C 2 C 1 L 2 C 3、实验方案：通过对所设计的匹配网络进行原理图仿真验证该匹配网络的匹配状态是 否良好。 4、可行性分析：通过观察仿真结果，集总参数L形匹配网络、形匹配网络和形 匹配网络的匹配状态都良好，也即设计方案是可行的。 三、指导教师对学生出勤、文献阅读等方面的评语三、指导教师对学生出勤、文献阅读等方面的评语 能在规定的时间周二向老师汇报论文进展情况；学习了 ADS 软件的使用方法和匹配网 络的一些基础知识，参考一些比较先进的国内资料与外文文献，确定了一个比较合适的设 计方法。阅读了 1黄玉兰射频电路理论与设计.人民邮电出版社，2008 2 陈艳 华ADS 应用详解一射频电路设计与仿真M.人民邮电出版社，2008 年3 Reinhokl Ludwig, Pavel BretchkoRF Circuit Design and Application科学出版社，20024Patrick ScheeleContinuously Tunable Impedance Matching Network Using Ferroelectric VaractorsIEEE，2005等资料。论文进度达到了预定目标。 签字：签字： 年年 月月 日日 此表学生填写，指导教师给出评语后，复印件于第五周交院教学办公室。此表学生填写，指导教师给出评语后，复印件于第五周交院教学办公室。 毕业设计工作中期检查毕业设计工作中期检查 附表四附表四 2013 年年 4 月月 26 日日 课题名称课题名称 姓姓 名名专业和班级专业和班级指导教师指导教师 一、一、阶段性结果阶段性结果 已完成集总参数L形匹配网络、集总参数形匹配网络、集总参数形匹配网络的设 计和仿真并整理好了设计文档；初步进行了分布参数单支节匹配网络、分布参数双支节匹 配网络和分布参数4/阻抗匹配网络的设计和仿真，其中双支节匹配网络设计的仿真结果 不符合工程应用要求。 二、存在的问题二、存在的问题 1、分布参数双支节匹配网络的设计经过原理图仿真得到的仿真结果不符合工程应用要 求，需要做设计改进。 2、在设计匹配网络时可以在网络响应数据显示区看到电压反射系数 11 S曲线和正向电 压传输系数 21 S曲线，但是在出原理图仿真结果时，纵坐标只能选到 11 S参量不能选到 21 S参量。 三、后一步工作设想三、后一步工作设想 对分布参数双支节匹配网络做些设计改进，整理分布参数匹配网络设计文档。总结设 计中遇到的问题和解决方法。完善整个设计文档。 四、指导教师对学生出勤、论文进展方面的评语四、指导教师对学生出勤、论文进展方面的评语 签字：签字： 年年 月月 日日 指导教师组织学生口头汇报后，学生填写该表，教师给出评语后，于第十周交院教学办公室。指导教师组织学生口头汇报后，学生填写该表，教师给出评语后，于第十周交院教学办公室。 Abstract: Impedance matching is one of the most important concepts in the design of RF circuit. Impedance matching is achieved by a matching network, and the essence of the matching network is related to impedance transformation, which makes a load match with a transmission line or with a source. Because the matching network is related to transmission efficiency, power capacity and working stability of the system, so it is the essential question must considered in the design of the circuit and system. As the theoretical foundation of the matching network design is very complex and the knowledge between the parts of theoretical foundation is linked to each other, if the theoretical basis of the system is not given, it will be difficult to understand the following design process, so it is proper to introduce the theory in the first and then design the matching network so that the concept of matching network design is easily to be understood. On the classification of the content, this paper is roughly divided into three parts except the introduction. The main content of each part is described as the following. First of all, the first part mainly discusses several important concepts of the RF circuit, such as three kinds of working station of the transmission line, that is to say, traveling wave station, standing wave station and moving standing wave station and their respective characteristics; the composition of the microstrip line and the calculation of the relevant parameters; the composition and main characteristics of the Smith chart; the types of the matching network and how to make use of the Smith chart to design a matching network; the methods to analysis the RF circuit network and physical meaning of the scattering parameters of a two-port network. Then, based on the above theoretical basis, the second part uses ADS (Advanced Design System) software to accomplish the lumped and distributed parameter matching network design, which is the perfect software in the field of RF and microwave engineering, and then gives the detailed design steps, the necessary pictures, the feasible simulation schematic diagram and the final simulation results, and at last, analysis the simulation results to prove that the matching network is in good condition. Finally, the third part makes conclusion to the design from five aspects, main summarize are as follows: the feasibility of using ADS for matching network design; the effect of value accuracy of the matching network elements on the results of the simulation; the relationship between the reflection coefficient and the bandwidth; the contrast of simulation results of terminal open circuit method and terminal short circuit method. Keywords: Smith Chart; Impedance matching; matching network; ADS - 1 - 目录 绪论1 1射频电路理论 .3 1.1集总参数与分布参数.3 1.2传输线理论.3 1.2.1传输线的分布电路模型4 1.2.2传输线的基本特性参数4 1.2.3传输线工作状态6 1.2.4微带线7 1.3史密斯圆图.9 1.3.1反射系数圆10 1.3.2史密斯阻抗圆图11 1.3.3史密斯阻抗-导纳圆图 13 1.4匹配网络.14 1.4.1集总参数元件匹配网络15 1.4.2分布参数元件匹配网络17 1.4.3混合参数元件匹配网络19 1.5射频网络基础.19 1.5.1射频电路工作特性的分析方法19 1.5.2二端口射频网络参量20 2设计内容 .21 2.1集总参数元件匹配网络设计.21 2.1.1L 形匹配网络21 2.1.2T 形匹配网络26 2.1.3形匹配网络.31 2.2分布参数元件匹配网络设计.35 2.2.1单支节匹配35 2.2.2双支节匹配39 2.2.3阻抗匹配网络 444/ 3设计总结 .48 - 2 - 3.1使用 ADS 进行匹配网络设计的可行性.48 3.2仿真参数选择.48 3.3匹配元件取值精度对仿真结果的影响.49 3.4反射系数与带宽.51 3.5终端开路与终端短路.51 致谢53 参考文献54 绪论绪论 随着通信手段的日益丰富和通信技术的不断发展，通信领域经历了从有线 到无线、从固定到移动、从低频到高频的巨大变化，在需求的强大激励和技术 的有力支持下，与现代通信相匹配的射频(RF)和微波(MW)电路得到了广泛的应 用，逐渐成为科学和工程领域中一门令人瞩目的技术。 在电子通信系统中，只有使用更高的载波频率，才能获得更大的带宽。随 着科学技术的不断进步，电子通信系统的工作频率不断提高，目前应用日趋广 泛的移动通信(GMS3G)、全球定位(GPS)、无线局域网(WLAN)、宽带无线接入 系统(WIMAX)和射频识别(RFID)等领域，工作频率都已经达到了 GHz,此外新型 半导体器件和计算机的工作频率也已经达到 GHz 频段，这使得与此频段相适应 的射频和微波电路逐渐成为一个普遍存在的技术，这就迫切需要人们熟悉相应 的射频和微波电路设计方法。 射频和微波电路是电与磁的场分布理论与传统电子学技术的融合，它将波 动理论引入电路之中，形成射频和微波电路的理论体系和设计方法，这些波的 反射和传输是影响射频和微波电路的关键因素。在电子通信领域，信号采用的 传输方式和信号的传输特性是由工作频率决定的。目前射频(Radio Frequency)没 有一个严格的频率范围定义，广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射 频，而在电路设计中，当频率较高，电路的尺寸可以与波长相比拟时，电路可 以称为射频电路。 一般认为，当频率高于 30MHz 时电路的设计就需要考虑射频电路理论，而 射频电路理论应用的典型频段为几百 MHz 至 4GHz，在这个频率范围内，由于 分布参数的存在，电路中出现了许多独特的性质，这些性质在常用的低频电路 中从没遇到过，而低频的基尔霍夫电路理论也不再适用。因此需要建立新的射 频电路理论体系。只有确切地知道射频电路与低频电路有什么区别及如何实现， 才能开发并改进射频电路，满足射频领域不断发展的需求。 现在射频电路的设计越来越复杂，指标要求越来越高，而设计周期却越来 越短，这要求设计者使用电子设计子自动化软件工具。目前国内外各种商业化 射频和微波电子设计自动化软件工具不断涌现，使用软件工具已经成为射频和 微波电路设计的必然趋势。在深入理解射频电路的基础上，结合软件工具进行 设计，是通向射频电路设计成功的最佳路线。 ADS(Adcanced Design System)软件由美国安捷伦(Agilent)公司开发，是目前 射频和微波电路设计的首选工程软件。该软件功能强大，仿真手段丰富多样， 可实现包括时域和频域、数字和模拟、线性和非线性、电磁和数字信号处理等 多样仿真手段，并可对设计结果进行成品率分析和优化，从而大大提高了复杂 电路的设计效率，是当今业界最流行的射频和微波电路设计工具，并在国内高 校、科研院所和大型 IT 公司中逐渐推广使用，是一款非常值得学习的软件。 1 1射频电路理论射频电路理论 1.11.1集总参数与分布参数集总参数与分布参数 在低频电路中，认为电场能量集中在电容中，磁场能量集中在电感中，电 磁能的消耗全部集中在电阻上，连接元件的导线是既无电感电容又无电阻电导 的理想导线，这就是集总参数的概念。 分布参数是相对于集总参数而言的。当频率增高到射频，连接元件的传输 线由于集肤效应的出现，使传输线的有效面积减小，传输线上的电阻增加，且 分布在传输线上，可称为传输线的分布电阻；传输线上有高频电流流过，传输 线周围必然有高频磁场存在，沿线就存在电感，可称为传输线的分布电感；又 因传输线两导体间有电压，故两导体间存在高频电场，沿线就分布着电容，可 称为传输线的分布电容；传输线两导体间有漏电，沿线两导体间就存在漏电导， 可称为传输线的分布电导。认为分布电阻、分布电导、分布电感和分布电容这 4 个分布参数存在于传输线的所有位置上，就是分布参数的概念。 1.21.2传输线传输线理论理论 随着工作频率的提高，工作波长不断减小，当波长与元器件尺寸或电路尺 寸相比拟时，传输线上的电压和电流将随空间位置而变化，这就是传输线理论。 传输线理论是长线理论。传输线是长线还是短线，取决于传输线的电长度 而不是它的几何长度。所谓电长度，就是传输线的几何长度 与工作波长的比l 值。在射频电路中，传输线的几何长度有时只不过几厘米，但因为这个长度已 经可以与工作波长相比拟，仍称它为长线；相反地，输送市电的电力线，即使 几何长度为几千米，但与市电的波长(6000km)相比还是小很多，所以只能看作 是短线。 根据传输线上分布参数是否是均匀分布，传输线可分为均匀传输线和不均 匀传输线。所谓均匀传输线，是指传输线的几何尺寸、相对位置、导体材料及 导体周围煤质特性沿电磁波的传输方向不改变的传输线。那么，传输线的几何 尺寸、相对位置、导体材料及导体周围煤质特性沿电磁波的传输方向改变的传 输线就是不均匀传输线。 一般情况下，均匀传输线单位长度上有 4 个分布参数，即分布电阻、分R 布电导、分布电感和分布电容，它们的数值均与传输线的种类、形状、GLC 尺寸、导体材料及导体周围媒质特性有关。均匀传输线的分布参数定义如下： 分布电阻传输线单位长度上的总电阻值，单位为。Rm/ 分布电导传输线单位长度上的总电导值，单位为。GmS / 分布电感传输线单位长度上的总电感值，单位为。LmH / 分布电容传输线单位长度上的总电容值，单位为。CmF / 1.2.11.2.1传输线的分布电路模型传输线的分布电路模型 有了均匀传输线的分布参数的概念，可以将均匀传输线分割成许多小线元 ()，每个小线元可以看作集总参数电路，它的 4 个参数分别为、dzdz dz R 、和，那么，传输线的分布电路模型如图 1.1 所示。 dz G dz L dz C 图 1.1 传输线分布电路模型 1.2.21.2.2传输线的基本特性参数传输线的基本特性参数 通过研究传输线上电压和电流的变化规律以及它们之间的相互关系，可以 得到传输线的一些基本特性参数。 1. 特性阻抗特性阻抗 特性阻抗定义为传输线上的入射电压与入射电流（行波电压与行波电流） 之比，常以表示： 0 Z (1.1) jwCG jwLR Z 0 式中，为分布电阻，为分布电导，为分布电感，为分布电阻容。 RGLC 对于射频传输线，特性阻抗近似为： (1.2) C L Z 0 在射频情况下可以认为传输线的特性阻抗为纯阻抗。 2. 输入阻抗输入阻抗 输入阻抗定义为传输线上任意一点电压与电流之比，常以表示：)( zZin (1.3) 0 0 0 tan tan )( zjZZ zjZZ ZzZ L L in 其中 2 式中，为负载阻抗，为传输线的特性阻抗，表示传输线上的任意位 L Z 0 Z z 置。 3. 反射系数反射系数 传输线上的波一般为入射波和反射波的叠加。波的反射现象是传输线上最 基本的物理现象，传输线的工作状态也主要决定于反射的情况。为了表示传输 线的反射特性，我们引入了反射系数的概念。反射系数定义为传输线上某点的 反射电压与入射电压（或反射电流与入射电流）之比，常以表示：)( z (1.4) )( )( )( )( )( zI zI zV zV z 式中，为反射电压，为入射电压，为反射电流，)( zV)( zV)( zI 为入射电流。)( zI 上式还可以表示为： (1.5) )2(2 )( zj L zj L L eez 式中，为终端反射系数，为终端反射系数的相位，表示传输线上的 L L z 任意位置。 4. 驻波系数驻波系数 反射系数可以用来表示传输线的反射特性，但是由于它是复数，并且随传 输线的位置而改变。为了更方便地表示传输线的反射特性，工程上引入了驻波 系数的概念。 驻波系数定义为传输线上电压最大点与电压最小点的电压振幅之比，常以 或 VSWR 表示： (1.6) min max V V 式中，为电压最大点的幅值， 为电压最小点的幅值。 max V min V 上式还可以表示为： (1.7) L L 1 1 式中，为终端反射系数的模值。 L 5. 回波损耗回波损耗 回波损耗是由于传输线上信号的反射引起的，回波损耗的定义为 dB (1.8) in RLlg20 1.2.31.2.3传输线工作状态传输线工作状态 传输线的工作状态是指传输线上电压、电流和阻抗的分布规律。传输线的 工作状态有行波工作状态、驻波工作状态和行驻波工作状态。 射频波段的传输线一般不长，可以把传输线当作无耗传输线处理。以下的 分析都是基于无耗传输线的。 1. 行波工作状态行波工作状态 有两种情况可以产生无反射工作状态：一是传输线无限长的情况；二是负 载匹配匹配的情况。实际中只考虑第二种情况，即当传输线终端负载匹配时， 传输线上只有入射波，没有反射波，传输线处于行波工作状态。 当行波状态的特点： (1) 传输线上各点电压和电流的振幅不变。 (2) 传输线上电压和电流的相位相同，而且都随位置的增加线性滞后。z (3) 传输线上各点的输入阻抗均等于特性阻抗。 2. 驻波工作状态驻波工作状态 当传输线终端短路、终端开路或接纯电抗负载时，传输线上的传输波产生 全反射，称为驻波状态。 驻波状态的特点： (1) 传输线上电压和电流的振幅是位置的函数，具有波腹点和波谷点，波 腹点和波谷点相距，波谷点振幅为 0。4/ (2) 电压和电流的振幅模值具有重复性。2/ (3) 传输线上各点的输入阻抗为纯电抗。每过，输入阻抗性质改变一4/ 次（容性变感性，感性变容性；短路变开路，开路变短路） 。 (4) 电感和电容可以用一段适当长度的终端短路传输线或终端开路传输线 等效。 3. 行驻波状态行驻波状态 当均匀无耗传输线终端接上面所述以外的负载时，信号源给出的能量一部 分被负载吸收，另一部分被负载反射，传输线上产生部分反射而形成行驻波。 行驻波状态的特点： (1) 传输线上电压和电流的振幅是位置的函数，具有波腹点和波谷点，波 腹点和波谷点相距，但波谷点振幅不为 0。4/ (2) 传输线上输入阻抗周期性变化，周期为。只有在电压波腹点和电2/ 压波谷点时，输入阻抗为纯电阻。在电压波腹点处；在电压波谷点处 0 ZZin 。/ 0 ZZin 1.2.41.2.4微带线微带线 微带线是平面型结构，可以用刻蚀电路技术在(PCB)上制作，容易外接固体 射频器件构成各种射频有源电路，而且可以在一块介质基片上制作完整的电路， 实现射频部件和系统的集成化、固态化和小型化，因而是目前射频微波电路中 使用最广泛的传输线。 微带线是在介质基片的一面制作导体带，另一面制作接地金属平板构成的， 是半开放系统，虽然接地金属版可以帮助阻挡场的泄露，但导体会带来辐射， 所以微带的缺点之一是它有较高损耗且与邻近的导体带之间容易形成干扰。 微带线的损耗和相互干扰的程度与介质基片的相对介电常数有关，所以 r 常用的介质基片是介电常数高、高频损耗小的材料，比如氧化铝陶瓷 (=9.510，) r 0002 . 0 tan 1. 微带线组成结构微带线组成结构 微带线是平面型结构，它由金属接地板、介质基片和导带三部分组成，介 质基片填充在金属接地板和中心导带之间，如图 1.2 所示。 图 1.2 微带线组成结构 2. 有效介电常数有效介电常数 微带线导体带上面为空气，导体带下面为介质，可以定义一种全部填充等 效介质的微带线，等效介质的相对介电常数为，这种等效的微带线和真实微 re 带线具有相同的相速度和特性阻抗，其等效关系由有效相对介电常数决定。 re 微带线有效相对介电常数的近似计算公式为： re (1.9) hW W h hW h W W h rr re rr re 2 1 2 2 1 12 1 2 1 2 1 1041 . 0 12 2 2 1 2 1 式中，表示相对介电常数，W 表示导带宽度，h 表示介质基片厚度。 r 3. 微带线的传输特性微带线的传输特性 如果导体带与接地金属版之间由一种介质包围，则微带线可以传输 TEM 波。 但是微带线导体带尤为有两种媒质，导体带上面为空气、下面为介质，存在介 质-空气分界面。这种半开放式的系统虽然使微带线易于制作各种电路，但也给 微带线特性参数的计算带来了复杂性，同时使微带线中不可能传输 TEM 波，而 是传输准 TEM 波。 微带线传输准 TEM 波，但微带线的传输特性近似按照 TEM 波计算。 微带线的相速度和波长按下面公式计算： (1.10) re p re p c v 4. 特性阻抗特性阻抗 利用微带线有效相对介电常数，可以得到微带线特性阻抗的近似计算公 0 Z 式： (1.11) hW h W h W Z hW h W W h Z re re )( 444 . 1 ln667 . 0 393 . 1 120 4 8 ln 60 0 0 式中，为微带线有效相对介电常数，表示导体带宽度，表示介质基 re Wh 片厚度。 5. 微带线损耗微带线损耗 微带线存在损耗，常以衰减常数表示。一般来说，常忽略辐射损耗，只 考虑介质损耗和导带损耗。 d c (1.12) cd 对于低损耗介质： （dB/cm）(1.13) 0 tan1 1 3 . 27 re re r r d 对于高损耗介质： (dB/cm) (1.14) re re r d 1 1 1 34 . 4 0 0 微带线的导体损耗为： (1.15) WZ RS c 0 其中 0 f RS 式中，为导带的电导率，为微带线在真空中的磁导率。 0 1.31.3史密斯圆图史密斯圆图 在传输线问题的计算中，经常涉及输入阻抗、负载阻抗、反射系数和驻波 系数等量，利用公式进行计算并不困难但比较繁琐，为了简化计算，P.H.Smith 开发了图解方法，这种方法可以在一个图中简单直观地显示传输线上各点输入 阻抗与反射系数的关系，该图解称为史密斯圆图。 史密斯圆图广泛应用在电路的阻抗分析、网络的匹配设计、放大器的增益 计算、有源电路的稳定性设计等方面，甚至于仪器，例如广泛使用的网络分析 仪。也用圆图表示某些测量结果。 史密斯圆图是应用于工程领域的一个非常有用的工具，但是它本身的构成 比较复杂，学习起来也比较困难，为了更易于理解，下面将按“史密斯反射系 数圆+史密斯阻抗圆+史密斯导纳圆”的方式逐渐添加，由浅入深循序渐进地讲 述。 1.3.11.3.1反射系数圆反射系数圆 反射系数是传输线的基本特性参数，它既描述了传输线上各点反射电压与 入射电压之间的关系，也描述了负载阻抗与特性阻抗的失配度。史密斯圆图是 在反射系数的复平面上建立起来的，为此，首先介绍复平面上反射系数的表示 方法。 对于均匀无耗传输线，同一条传输线上各点的反射系数在同一个圆上，这 个圆称为等反射系数圆。等反射系数圆的轨迹是以坐标原点为圆心、以为 L 半径的圆。对负载阻抗与特性阻抗失配度不同的传输线而言，传输线的反射系 数模值是不同的，因而就对应着不同的等反射系数圆半径，如图 1.3 所示。 无耗传输线上距离终端为处的反射系数为： z (1.16) ir zj L jez L )2( )( 式中，由负载阻抗与特性阻抗的失配度决定。 L 等反射系数圆的特点为： (1) 当反射系数的模值=0 时，驻波 L 系数=1，反射系数复平面上的坐标原点为 匹配点。 (2) 当反射系数的模值=1 时，驻波 L 系数=，该单位反射圆对应着终端开路、 终端短路和终端接纯电抗负载时传输线上各 点的反射系数。 (3) 所有反射系数的模值都满足 ，反射圆的半径随负载阻抗与特性阻抗失陪度的不同而不同。10 L 1.3.21.3.2史密斯阻抗圆图史密斯阻抗圆图 1. 等电阻圆等电阻圆 在反射系数的复平面上，归一化电阻为常数的曲线称为等电阻曲线。由于 等电阻曲线是一族圆，所以等电阻曲线也称为等电阻圆。 下面通过推导公式的方法，讲述等电阻圆族在反射系数的复平面上的轨迹。 归一化输入阻抗定义为输入阻抗与传输线特性阻抗之比，用公式表示为 (1.17) 0 Z Z z in in 又传输线上的电压（电流）由入射电压（电流）和反射电压（电流）叠加 而成，用公式表示为 图 1.3 等反射系数圆 图 1.3 等反射系数圆族 (1.18) )()()( )()()( zIzIzI zVzVzV 将反射系数的定义式(1.4)代入上式可得 (1.19) )(1)()( )(1)()( zzIzI zzVzV 将上面两个式子相除，再由输入阻抗和特性阻抗的定义可得 (1.20) )(1 )(1 )( 0 z z ZzZin 那么，由(1.17)可知 (1.21) )(1 )(1 z z zin 再将代入上式得 ir jz)( (1.22) 2222 22 1 2 1 1 1 1 ir i ir ir ir ir in j j j z 设 为归一化电阻，为归一化电抗，由上式可得rx (1.23) 22 22 1 1 ir ir r (1.24) 22 1 2 ir i x 将式(1.23)变换后得到等电阻圆的方程式为 (1.25) 2 2 2 ) 1 1 () 1 ( rr r ir 显然，根据方程特点可知，所有等电阻圆族在复平面的点(1,0)处相切，如 图 1.4 所示。 图 1.4 等电阻圆 图 1.5 等电抗圆 2. 等电抗圆等电抗圆 在反射系数的复平面上，归一化电抗为常数的曲线称为等电抗曲线。由于 等电抗曲线是一族圆，所以等电抗曲线也称为等电抗圆。 将式(1.24)变换后得到等电抗圆方程式为 (1.26) 222 ) 1 () 1 () 1( xx ir 显然，根据方程特点可知，所有等电抗圆族在复平面的点(1,0)处与实轴相 切，如图 1.5 所示。 将反射系数圆族、等电阻圆族和等电抗圆族绘在一起就构成了史密斯阻抗 圆图，如图 1.6 所示。 图 1.6 史密斯阻抗圆图 1.3.31.3.3史密斯阻抗史密斯阻抗- -导纳圆图导纳圆图 将史密斯阻抗圆图上的等电阻圆旋转成为等电导圆，并将等电抗圆旋 0 180 转成为等电纳圆，就构成了史密斯导纳圆图。 0 180 将等反射系数圆、反射系数相角、电刻度圆、等电阻圆、等电抗圆、等电 导圆和等电纳圆都绘在一起就构成了史密斯阻抗导纳圆图，为了不使圆图太 过密集，一般都省略了等反射系数圆图，如图 1.7 所示。 图 1.7 史密斯阻抗-导纳圆图 可以在单位反射圆的外面画两个同心圆分别标明反射系数相角的变化，其 中一个圆用来标明传输线电长度一周变化；另一个圆用来标明相角一周变2/ 化。标明电长度变化的圆称为电刻度圆，电刻度圆的起始位置在圆的最左 o 360 端，顺时针旋转时电刻度的数值增大。相角的起始位置在圆的最右端，逆时针 旋转时相角的数值增大。 1. 圆图上三个特殊点圆图上三个特殊点 匹配点。坐标为（0,0） ，此处对应于 。100, 1，Lxr 短路点。坐标为（.1,0） ，此处对应于 o L xr180,10, 0， 。 开路点。坐标为（1,0） ，此处对应于 o L xr0,1,， 。 2. 圆图上三条特殊线圆图上三条特殊线 右半实轴线。线上，为电压波腹点的轨迹。同时，线上 的0, 1xrr 读数为驻波系数的读数。 左半实轴线。线上，为电压波谷点的轨迹。同时，线上 的0, 1xrr 读数为行波系数的读数。 单位反射系数圆。线上，为纯电抗轨迹，反射系数模值为 1.0r 3. 圆图上两个特殊面圆图上两个特殊面 实轴以上半平面是感性阻抗的轨迹。 实轴以下半平面是容性阻抗的轨迹。 4. 圆图上六个旋转方向圆图上六个旋转方向 传输线上的点向信源方向移动时，在圆图上沿等反射系数圆顺时针旋转。 传输线上的点向负载方向移动时，在圆图上沿等反射系数圆逆时针旋转。 在电路中串联电感时，在圆图上沿等电阻圆顺时针移动，L 0 /ZLjjx 即得到圆图上归一化输入阻抗所在的点。 在电路中串联电感时，在圆图上沿等电阻圆逆时针移动C ，即得到圆图上归一化输入阻抗所在的点。 0 /CZjjx 在电路中并联电感时，在圆图上沿等电导圆逆时针移动，L 0 /LYjjb 即得到圆图上归一化输入导纳所在的点。 在电路中并联电感时，在圆图上沿等电导圆顺时针移动，C 0 /YCjjb 即得到圆图上归一化输入导纳所在的点。 1.41.4匹配网络匹配网络 在射频电路的设计中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是电路和系统设计 时必须要考虑的重要问题。例如，在放大器和振荡器的设计中，匹配网络是电 路设计的必要部分，需要在有源电路中插入无源匹配网络。 匹配关系到系统的传输效率、功率容量