匹配电路仿真与设计

1、一、 基本阻抗匹配理论 L Ls s L R RR U RIP )( 2 2 0 Rs RL U s (a)(b) 1 0.75 0.5 0.25 0 P o/Pi k P o 1 s s isL R U PkRR 2 , i P k k P 2 0 )1 ( 当当RL=Rs RL=Rs 时可获得最大时可获得最大 输出功率输出功率, ,此时为阻抗此时为阻抗 匹配状态。无论负载电匹配状态。无论负载电 阻大于还是小于信号源阻大于还是小于信号源 内阻内阻, ,都不可能使负载都不可能使负载 获得最大功率获得最大功率, ,且两个且两个 电阻值偏差越大电阻值偏差越大, ,输出输出 功率越小功率越小。 广义

2、阻抗匹配： Zs ZL N Po ZL Us Zs 阻抗匹配概念可以推广到交流电路。,当负载阻抗ZL与信号源阻抗Zs 共轭时,即ZL=Z*s,能够实现功率的最大传输,称作共轭匹配或广义 阻抗匹配。 如果负载阻抗不满足共轭匹配条件,就要在负载和信号源之间加一个 阻抗变换网络N,将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭,实现阻抗匹配。 例1：分立器件LC匹配网络设 计 设计目标：设计L型阻抗匹配网络，使 Zs=（25-j*15）Ohm信号源与ZL=（100- j*25）Ohm的负载匹配，频率为50MHz Ls CpLp Cs (a)(b) （1） 打开ADS （2）新建工程文件 （3）设置Name和Len

3、gth unit，然 后单击“OK” （4）选“No help needed”， 然后单击“finish” 菜单栏 工具栏 元件库列表 元件库列表 原理图编辑区原理图编辑区 （5）在元件面板列表中选择“Simulating-S Param” （6）单击“ ”和“ ”，在原理图中放两个Term和一个S-Parameters控件 （7）双击Term端口，弹出设置对话框，分别把Term1设置成Z=25-j*15Ohm,Term2 设置成Z=100-j*25Ohm. （8）双击S-Parameters控件，弹出设置对话框，分别把Start设置成1MHz,Stop设置 成100MHz，Step-size

4、设置成1MHz. （9）在元件面板列表中选择“Smith Chart Matching” （10）单击“ ”，在原理图中添加“DA_SmithChartMatching”控件 （11）双击DA_SmithChartMatch控件，设置控件相关参数如下： （12）单击工具栏“ ”和“ ”，放置Term地和连接元件。 （13）在原理图设计窗口，执行菜单命令tools-Smith Chart,弹出 “SmartComponent”对话框。 （14）选择“Update SmartComponent from Smith Chart Utility”，单击“OK”。 （15）设置Freq=0.05GHz

5、，Z0=50Ohm。单击“DefineSource/load Network terminations”按钮。 （16）弹出“Newtwork Terminations”对话框，设置源和负载阻抗如下图所示，然后 依次单击“Apply”和“OK”。 （16）源（小圆标记）和负载（方形标记）在Smith圆图上如下图所示。 （17）采用LC分立器件匹配过程如下图所示。 （18）单击“Build ADS Circuit”按钮，即可生成相应的电路。 （19）选中DA_SmithChartMatch控件，单击“ ”图标，可以查看匹配电路 （20）单击“ ”图标，可以返回 （21）单击“ ”图标，进行仿真，

6、仿真完毕显示如下对话框。 （22）单击“ ”图标，在结果窗口单击，就会出现如下对话框。 （23）选中S11，单击Add，出现如下对话框，选中dB，单击“OK”。 （24）选中S21，单击Add，出现对话框，选中dB，单击“OK”。最后显示如下，再 单击“OK” （24）显示的出S11和S21曲线如下。 设计L型阻抗匹配网络，使Zs=（46-j*124） Ohm信号源与ZL=20+j*100Ohm的负载匹 配，频率为2400MHz. 练习： 例2：微带单枝短截线线匹配电路的 设计 设计目标：设计微带单枝短截线匹配网络， 使Zs=（55-j*40）Ohm信号源与ZL= （30+j*50）Ohm的负

7、载匹配，频率为 1.5GHz （1）建立工程文件。File-New Project，弹出New project对话框，在路径的末尾输 入工程名MLIN_Smatching，然后单击OK。 （3）在原理图元件库列表中选择“Passive Circuit DG-Matching” 。 （4）在原理图中加入元件“MSUB”（微带基片）和元器件“SSMtch”(微带单枝短截 线） 。 （5）在原理图设计窗口执行命令Insert-Template，打开“Insert Template”对话框， 选择“S_Params”,在原理图中插入S参数仿真模拟。 （6）双击元器件“MSUB”，设置微带线基本参数。

8、（7）双击元器件“DA_SSMatch1_MLIN_SMatching”，设置中心频率为1.5GHz，输 入阻抗为55+j*40Ohm（与源阻抗Zs=55-j*40Ohm共轭匹配），负载阻抗 Zload=30+j*50Ohm。 （8）设置Term1阻抗为与源阻抗Z=55-j*40Ohm共轭匹配，Term2阻抗为 Z=30+j*50Ohm，S参数扫频范围为1-2GHz，步长为0.001GHz，连接Term和 DA_SSMatch1_MLIN_SMatching 。 （9）在原理图设计窗口，执行命令DesignGuide-Passive Circuit，弹出Passive Circuit对话框，双

9、击Microstrip Control Window,打开Passive Circuit DesignGuide 对话框 。 （10）在SmartComponent下拉表中选择“DA_SSMatch1”，在Design Assistant中单 击Design按钮，等待“Design Progress”为100%后，关闭“Passive circuit DesignGuide”窗口返回原理图设计窗口 。 （11）选中SSMtch控件，单击“ ”图标，可以查看自动生成的匹配网络的子电路 如下图所示 （11）单击Simulation按钮，进行S参数的仿真，仿真完后自动弹出数据显示窗口 freq (1

10、. 000G H z t o 2. 000G H z) S(1, 1) R eadout m 1 I nput R efl ect i on C oeffi ci ent m 1 f req= S(1, 1)=0. 080 / -156. 800 i m pedance = Z0 * (0. 862 - j 0. 054) 1. 500G Hz （12）数据分析 f req (1. 000G H z t o 2. 000G H z) S(2, 2) R eadout m 4 O ut put R ef l ect i on C oef f i ci ent m 4 freq= S(2, 2)=

11、0. 080 / -48. 723 i m pedance = Z0 * (1. 102 - j 0. 133) 1. 500G H z 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 1. 7 1. 8 1. 91. 02. 0 -5 -4 -3 -2 -1 -6 0 f req, G H z dB(S(1, 2) R eadout m 2 R everse Transm i ssi on, dB m 2 f req= dB(S(1, 2)=-0. 028 1. 500G H z 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 1. 7 1. 8 1. 91. 02.

12、 0 -5 -4 -3 -2 -1 -6 0 f req, G H z dB(S(2, 1) R eadout m 3 Forw ard Transm i ssi on, dB m 3 f req= dB(S(2, 1)=-0. 028 1. 500G H z 1.11.21.31.41.51.61.71.81.91.02.0 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -45 0 f req, G Hz dB(S(1, 1) dB(S(2, 1) dB(S(2, 2) dB(S(1, 2) 设计微带单枝短截线线匹配电路，使MAX2660的输出阻抗Zs=（126- j*459）Ohm与ZL=50Ohm的负载匹配，频率为900MHz. 微带线板材参数：微带线板材参数： 相对介电常数：相对介电常数：2.65 相对磁导率：相对磁导率：1.0 导电率：导电率：1.0e20 损耗角正切：损耗角正切：1e-4 基板厚度：基板厚度：1.5mm 导带金属厚度：导带金属厚度：0.01mm 练习：练习： （1） 打开ADS （19）选中DA_SmithChartMatch控件，单击“ ”图标，可以查看匹配电路 设计L型阻抗匹配网络，使Zs=（46-j*124） Ohm信号源与ZL=20+j*100Ohm的负载匹 配，频率为2400MHz. 练习： （3）在原理图元件库列表中选择“P