匹配 理论.ppt

TOPIC5 匹配理论集总参数元件匹配网络 and 主要内容 匹配的基本概念品质因数匹配网络的基本结构集总参数元件匹配网络的设计方程计算法Smith圆图法 不匹配 有劲使不上 匹配 最大功率传输 匹配概念 何谓匹配 电路的匹配与否和什么因素相关 匹配的必要性 可以向负载传输最大的功率 改善噪声系数 提高效率 延长电池寿命 提高滤波器和选频回路的性能 减少反射引起的失真 输出入功率关系图 输出功率与阻抗比例关系图 MatchingTheory1 当ZL ZS 即是 匹配 Matched 广义 阻抗匹配 关系图 MatchingTheory2 将阻抗匹配概念推广到交流电路 当负载阻抗ZL与信号源阻抗Zs共轭时 能够实现功率的最大传输 称作共轭匹配或广义阻抗匹配 阻抗变换网络实现共轭匹配 MatchingTheory3 射频 微波电路的阻抗匹配也是交流电路阻抗匹配问题 在频率更高的情况下 分析问题的方法有其特殊性 射频 微波电路中通常使用反射系数描述阻抗 用波的概念来描述信号大小 需要用反射系数来分析最大功率传输条件即阻抗匹配状态 射频 微波电路的匹配问题 因为 L b1 a1 则提供给等效负载的功率为 为了得到最大功率传输 必须满足 此时 MatchingTheory4 QualityFactor 品质因素 QualityFactor Q 理想电容的Q 理想电感的Q 理想电阻的Q 0 储能 对于阻抗元件 Q 电抗 电阻 MatchingTheory4 QualityFactor 3dBBandwidthQualityFactor Q3dB 当fo固定时 BW3dB 0 Q3dB BW3dB Q3dB 0理想的电阻 BW3dB 理想的电容或电感 BW3dB 0 BW3dB 3dBBandwidth 有载品质因素 QL 3dB 频宽品质因素 固有品质因素 Qo MatchingTheory4 QualityFactor 网络的带宽可以用Q值来确定匹配网络的频率响应可由等效的低通 高通或带通滤波器求出由等效滤波器求Q值进而确定网络的带宽的方法比较复杂为了方便地估计匹配网络的带宽 引入节点品质因数Qn 其定义为 节点阻抗 ZS RS jXs 节点导纳 Yp Gp jBp 品质因数在匹配网络中的应用 对任何L型匹配网络有载品质因数QL可用下式来估计 QL Qn 2更复杂匹配网络的有载品质因数的计算 常简化为用节点品质因数的最大值来估计 尽管这种方法没有给出网络带宽的定量估计 但它使我们对网络带宽有了定性的了解 并可以具此判断匹配网络带宽的宽窄 MatchingTheory4 QualityFactor 品质因数在匹配网络中的应用 节点Q值与Smith圆图 为了进一步简化匹配网络的设计工作 我们可以在Smith圆图中画出等Qn线 由Smith圆图的基本式 分开实 虚部 得 分子分母同乘以分母的共轭 则有 节点Q值与Smith圆图 节点的品质因素可写为 整理上式 可得圆方程 注意到 I 0 R 1时 Qn圆方程两边恒等 所以等Qn圆总是通过Smith圆图的 1 0 点和 1 0 点 其中 号对应于正电抗 号对应于负电抗 节点Q值与Smith圆图 在Smith圆图中标出等Qn圆 如右图所示 有了等Qn圆 我们只需读出Qn 然后除以2 就可以得到L形网络的有载品质因素 实例参见例题8 4 P283 阻抗转换器的设计原理 若负载阻抗不满足匹配条件 需要在负载和信号源之间加一个阻抗转换网络 将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭 实现匹配 阻抗转换器的设计方法依使用元件及工作频率高低 大致可以分为 集总参数元件型 LumpedDeviceType 此型电路是利用电感及电容来设计 传输线型 TransmissionLineType 为什么不用电阻 集总参数元件匹配电路 匹配网络可以是窄带或宽带网络窄带网络具有滤波功能 滤波性能取决于Q值集总参数元件匹配网络依据工作频宽的大小 基本上可以分为以下几种网络拓扑结构 L型 T型和 型具体设计方法有方程计算法Smith圆图法方程计算法相对较为复杂 但具体的电路结构选择有一定的规律可循 以下将按照输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻的情况讨论 L型匹配网络 组成两个不同性质的电抗元件构成特性窄带网络 具有滤波功能 Q 拓扑 MatchingNetworkDesign1 RS Vs RS RL Pout RL XS XP 图1 b L型匹配电路 Rs RL Rs Vs RS RL Pout RL Xs XP 图1 a L型匹配电路 Rs RL QS Xs Rs QL RL XP MatchingNetworkDesign2 图1 c Ls Cp低通式L型匹配电路 图1 d Cs Lp高通式L型匹配电路 图1 e Cp Ls低通式L型匹配电路 图1 f Lp Cs高通式L型匹配电路 L型匹配电路的设计步骤 确定参数确定工作频率fc 输入阻抗Rs及输出阻抗RL 这三个基本参数由设计任务给出 选择L型匹配电路拓扑结构判别Rs RL或Rs RL 选择合适的拓扑结构 根据共轭匹配条件 计算出Q值和串 并电抗根据选用的元件确定电容和电感的具体值 L型匹配网络设计实例 设计一個工作中心频率400MHz的25 50 的L型阻抗转换器 RS 50 RL 25 解 f 400MHz RS 50 RL 25 RS RL Q 1 XS RL Q 25 XP QRS 50 根据如下拓扑计算 L XS 2 f 9 95nH C 1 2 fXP 7 96pF L型匹配网络总结 L型匹配网络的具体拓扑结构存在匹配禁区所以要根据源和负载电阻的大小选择拓扑当源和负载电阻确定后 L匹配网络支路的Q值也就确定L型匹配网络的总有载品质因素QL Qn 23dB带宽BW f0 QL为了克服以上缺陷 可以通过增加匹配网络的元件来解决T型和 型 T型匹配网络的设计 图2 a T型匹配电路 Rsmall MIN RS RL T型匹配网络电路结构 元件值计算 型匹配网络的设计 RH MAX RS RL 型匹配网络电路结构 设计实例 设计一個工作中心频率400MHz 频宽40MHz的50 75 的T型阻抗转换器 Rs 50 RL 75 參考使用软件 MatchNet mcd Q 400 40 10 设计实例 參考使用软件 MatchNet adsn 匹配网络实现电路 设计实例 參考使用软件 MatchNet adsn BW3dB 421MHz 374MHz 47MHz 仿真结果 输入输出不为纯电阻的情况 已知信号源内阻RS 12 并串有寄生电感LS 1 2nH 负载电阻RL 58 并带有并联的寄生电容CL 1 8pF 工作频率为f 1 5GHz 设计L匹配网络 使信号源和负载达到共轭匹配 解 Smith圆图法 方程计算法比较复杂 特别是对T型和 型匹配网络 计算容易出错 匹配效果不直观 只有通过实验验证 Smith圆图用来求输入阻抗很方便 将之用于匹配网络的设计 结果容易验证 复杂程度几乎与匹配网络元件数目无关 元件的类型和参数可以直接在通过在圆图上的阻抗变换过程获取 通过计算机辅助Simth圆图软件 可以直接获取元件值 SmithChart jx jx jb jb Inductive Capacitive r 0g r g 0 串并联电容电感会有怎样的变化规律 射频操 Smith圆图法步骤 以L型网络为例 步骤一 计算源阻抗和负载阻抗的归一化值 步骤二 在圆图上找出源阻抗点 画出过该点的等电阻圆和等电导圆 步骤三 在圆图上找出负载阻抗的共轭点 画出过该点的等电阻圆和等电导圆 步骤四 找出步骤二 三所画圆的交点 交点的个数就是可能的匹配电路拓扑个数 步骤五 分别把源阻抗 负载阻抗沿相应的等反射系数圆移到步骤四的同一交点 两次移动的电抗 纳 或电纳 抗 变化就是所求电感或电容的电抗或电纳 步骤六 由工作频率计算出电感电容的实际值 电路拓扑的选择 拓扑结构的选择有其规律性 如何选定最合适的一个 要考虑的因素有 圆图中能找到交点 即可以完成匹配 元件的标称值 元件方便得到 电感 电容组合就会有频率特性 即带通或高通特性 要考虑匹配电路所处系统的工作频率和其他指标 如有源电路中的谐波或交调等 与周边电路的结构有关 如直流偏置的方便 电路尺寸布局的许可等 设计实例 发射机在2GHz频率点的输出阻抗为ZT 150 j75 设计一个L型匹配网络 使得输入阻抗为ZA 75 j15 的天线能够得到最大功率 解 匹配网络应使ZA变成ZT的共轭 150 j75 使用Smith圆图进行设计 设计实例 设计实例 设计一个T型匹配网络 将ZL变换为Zin 已知ZL 60 j30 Zin 10 j20 最大节点品质因数等于3 f 1