微波匹配网络设计.doc

I 微波匹配网络设计微波匹配网络设计 毕业设计 论文 任务书 附表一 题目来源 科研 课 题名称 设 计人姓名 学 号 指 导教师姓名 职称 指 导时间 地 点 专 业班级 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 II 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 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 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 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 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 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 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 III 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 2 不少于 5000 汉字的科技翻译资料一份 3 毕业论文简介 A4 纸 1 2 页 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 4 毕业设计任务书 5 开题报告 6 毕业设计工作中期检查表 IV 毕业设计开题报告 附表二 2013 年 3 月 1 日 课 题名称 射频 微波匹配网络设计 学 生姓名 学 号 专 业班级 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 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 V 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 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 13 Reinhokl Ludwig Pavel Bretchko RF Circuit Design and Application 科学出版社 2002 14 Patrick Scheele Continuously Tunable Impedance Matching Network Using Ferroelectric Varactors IEEE 2005 VI 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 年 月 日 VII 毕业设计工作中期检查 附表三 2013 年 3 月 16 日 课 题名称 姓 名 专 业和班级 指 导教师 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 VIII 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 再并联一个 3 98nH 的电感 并使电感接地 1 C 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 然后并联一个 30 78nH 的电感 并使电感接地 最后 1 L 2 L 再串联 3 21pF 的电容 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 然后串联一个 10 46pF 的电容 然后再并联 5 62pF 1 L 1 C 2 C 的电容 最后使和接地 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 IX 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 Bretchko RF Circuit Design and Application 科学出版社 2002 4 Patrick Scheele Continuously Tunable Impedance Matching Network Using Ferroelectric Varactors IEEE 2005 等资料 论文进度达到了预定目标 签字 年 月 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 毕业设计工作中期检查 附表四 2013 年 4 月 26 日 课 题名称 姓 名 专 业和班级 指 导教师 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 X 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 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 签字 年 月 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 XI 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 1 L 形匹配网络21 2 1 2 T 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 3 1使用 ADS 进行匹配网络设计的可行性48 2 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 1 1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 2 2射频电路理论射频电路理论 2 12 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 2 22 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l 波长的比值 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 分布电导 分布电感和分布电容 它们的数值均与传输线的种RGLC 类 形状 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 2 2 12 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dz dz 分别为 和 那么 传输线的分布电路模型如图 1 1 所示 dz R dz G dz L dz C 图 2 1 传输线分布电路模型 2 2 22 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RGLC 布电阻容 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 L Z 0 Z z 上的任意位置 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 z 示 1 4 zI zI zV zV z 式中 为反射电压 为入射电压 为反射电 zV zV zI 流 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 L L z 传输线上的任意位置 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 RL lg20 2 2 32 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z 性滞后 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4 性质改变一次 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2 波腹点和电压波谷点时 输入阻抗为纯电阻 在电压波腹点处 在电 0 ZZin 压波谷点处 0 ZZin 2 2 42 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 r 陶瓷 9 5 10 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 2 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 re 线和真实微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 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 1 9 式中 表示相对介电常数 W 表示导带宽度 h 表示介质基 r 片厚度 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 0 Z 近似计算公式 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 1 11 式中 为微带线有效相对介电常数 表示导体带宽度 re W 表示介质基片厚度 h 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 2 32 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 2 3 12 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 L 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 L 时 驻波系数 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 L 时 驻波系数 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 2 3 22 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 1 18 zIzIzI zVzVzV 将反射系数的定义式 1 4 代入上式可得 图 2 3 等反射 系数圆 图 2 3 等反射 系数圆族 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 2 4 等电阻圆 图 2 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 2 6 史密斯阻抗圆图 2 3 32 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 0 180 等电抗圆旋转成为等电纳圆 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 2 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2 相角一周变化 标明电长度变化的圆称为电刻度圆 电刻度圆的起始位置 o 360 在圆的最左端 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 0 1 xr 线上 的读数为驻波系数的读数 r 左半实轴线 线上 为电压波谷点的轨迹 同时 0 1 xr 线上 的读数为行波系数的读数 r 单位反射系数圆 线上 为纯电抗轨迹 反射系数模0 r 值为 1 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 即得到圆图上归一化输入阻抗所在的点 0 ZLjjx 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 即得到圆图上归一化输入导纳所在的点 0 LYjjb 在电路中并联电感时 在圆图上沿等电导圆顺时针移动C 即得到圆图上归一化输入导纳所在的点 0 YCjjb 2 42 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 功率容量和工作稳定性 其重要 性主要表现在 3 个方面 1 从信源到负载实现最大功率传输 2 减小线路反射 目的是减小噪声干扰 提高信噪比 3 传输相同功率时线上电压驻波系数最小 功率承受能力最 大 匹配包括两个方面 一个是传输线与负载之间的匹配 一个是 信源与负载之间的共轭匹配 前者是使传输线上无反射 线上载行波或尽量接 近行波的一种技术措施 后者是使传输线的输入阻抗与信源的内阻互为共轭复 数 最终使信源的功率输出为最大 匹配网络在电路中 2 个不同阻抗之间引入 以达到传输线与负 载之间匹配或信源与负载之间共轭匹配 匹配网络的实质是实现阻抗变换 就 是将给定的阻抗值变化成其他更合适的阻抗值 只要负载阻抗不是一个纯虚数 都可以选择一个无耗网络进行 匹配 在选择匹配网络时考虑的主要因素有 4 个 1 简单性 希望选择满足性能指标的最简单设计 结构简单 的匹配网络价格便宜 可靠且损耗小 2 带宽 任何一个网络都只能在单一频率上实现匹配 欲展 宽带宽 电路的设计要复杂些 3 可实现性 射频电路大都采用微带传输线 可实现性要考 虑生产工艺的可实现性 又要考虑尺寸要求的可实现性 4 可调整性 变化的负载需要可调整的匹配网络 理性情况下 匹配网络本身应该是无耗的 以避免信源到负载 的功率进一步衰减 因此匹配网络中没有电阻 集总参数元件电路的匹配网络 是有电感和电容构成的 分布参数元件电路的匹配网络是终端开路或终端短路 的支节以及阻抗变换器 4 2 4 12 4 1集总参数元件匹配网络集总参数元件匹配网络 在射频电路中 仍可以采用集总参数的分立元件 能实现匹配 功能的分立元件网络很多 既可以选用简单的双元件 L 形匹配网络 也可以选 用匹配性能更好但结构更复杂的三元件 T 形匹配网络或形匹配网络 L 形匹配网络是由串联或并联的电感或电容组成的 它的优点 是结构简单 但其节点数目和节点在圆图上的位置是固定的 匹配网络的带宽 无法调整 设计没有灵活性 此外 传输线与负载之间的 L 形匹配网络只有在 中心频率处才能保证二者之间的匹配 使包含 L 形匹配网络和负载在内的总输 入阻抗位于史密斯圆图的中心 传输线上反射系数为 0 当偏离中心频率时 传输线上的反射系数将大于 0 图 1 8 是负载与传输线的 8 种 L 形匹配网络 具体采用哪一种 形式 取决于归一化负载阻抗在史密斯圆图上的位置 图 2 8 负载与传输线匹配的 8 种匹配网络 为了更好地理解负 载与传输线的匹配过程 下面举一 个简单的例子加以说明 在图 1 9 中 点 A 是负载的归一化输入阻 抗 点 O 是坐标原点也即匹配点 通过观察史密斯阻抗 导纳圆图中 的等电阻圆族 等电抗圆族 等电 导圆族和等电纳圆族的轨迹和各圆 族之间的交点发现点 A 只能依照 A B O 或 A C O 的 方式才能使回归到匹配点 O 根据 上面讲述的串联或并联电感或电容 在史密斯阻抗 导纳圆图中的走向 可知 本例只能采用图 1 8 中的 a 图 2 9 负载的 匹配过程 和 b 两种方式 即 先串电容 再并电感 和 先串电感 再并电容 T 形匹配网络是由电感或电容经 串联 并联 串联 组成的 如图 1 10 所示 形匹配网络都是由电感或电容经 并联 串联 并联 组成 的 如图 1 11 所示 这两种匹配网络可以在设计时调整匹配网络的带宽 增加 了设计的灵活性 图 2 10 T 形匹配网络 图 2 11 形匹配网络 T 形匹配网络与形匹配网络和 L 形匹配网络相比只是多了一 个元件 在史密斯圆图上的串并走向规则是一样的 只要掌握了 L 形匹配网络 的匹配过程 就不难理解 T 形匹配网络与形匹配网络 这里不再举例说明 2 4 22 4 2分布参数元件匹配网络分布参数元件匹配网络 随着工作频率的提高 波长不断减小 当波长与元器件尺寸或 电路尺寸相当时 可以采用分布参数元件来实现匹配网络 分布参数元件是在 主传输线上串联一段传输线或并联支节构成 1 单支节匹配单支节匹配 单支节匹配就是在主传输线上并联一个支节 用支节的电纳抵 消其接入处主传输线上的电纳来达到匹配 单支节匹配的优点是简单 缺点是 支节的位置需要调节 这对于有些电路来说是困难的 单支节可以是终