射频电路中匹配网络的设计和分析

1、第31卷第6期2007年12月武汉理工大学学报(与工程版Journal of Wuhan University of Technolo gy(T r anspo rtat ion Science &Engineer ing 交通科学V ol. 31N o. 6Dec. 2007射频电路中匹配网络的设计和分析黄秋元董诗波(武汉理工大学信息工程学院武汉430070*摘要:射频电路的设计方法和低频电路的分析方法截然不同. 文中从阻抗匹配的角度, 介绍了传输线的基本理论, 以G SM 光纤直放站射频光收发模块中射频输入端到激光器的电路为例, 用Smith 圆图作为工具进行了匹配网络的设计和分析

2、. 结果表明, 合理的匹配网络设计可以有效减少信号反射干扰, 提高信号传输效率.关键词:特征阻抗; 阻抗匹配; Sm ith 圆图; 电压驻波比中图法分类号:T P31要实现功率高效率的传输, 电路设计中必须尽可能实现负载阻抗和源阻抗的匹配. 为了保证信号最大效率的传输, 需做到两个方面:(1 源阻抗和负载阻抗的匹配; (2 电路中阻抗的连续性.Z 0= eff =f 2 effln(8+ w 4h1阻抗匹配的理论基础当波长与电路中分立元件几何尺寸相比拟时, 必须采用分立电路表示法对电路进行分析1-3. 在阻抗匹配问题中, 最关键的传输线参数为特征阻抗Z 0. 传输线特征阻抗的一般表达式Z 0

3、=G +j w C(1r +1 r -1(3 +×222(1+12 -1/2+0. 04(1- w h 当w /h >1时Z 0=f+ln(+1. 444 eff (1. 393+h 3h r r +(1+12 -1/222w(4式中:w 为导体线宽; eff 为有效介电常数; Z f 为自由空间波阻抗, Z f =376. 8 .由于电路中阻抗失配造成的直接后果, 就是信号的反射. 所以, 用反射系数来衡量线路的匹配程度! 0=0l Z 0+Z leff =在实际电路中, 传输线带来的损耗(R , G 往往可以忽略不计, 令R =G =0得到特征阻抗的简化形式Z c =C(2

4、(5电路设计中, 当PCB 板中导线厚度t 和基片厚度h 相比可以忽略时, 利用线路尺寸(线宽w 与r , 可以得到微带线特征阻抗的经h 和介电常数在阻抗匹配的情况下, 反射系数为零. 但是在实际工程中, 往往用电压驻波比(VS W R 来观测电路的匹配状况压之比4-5. 电路中的电压是入射量和反验式.当w /h <1时收稿日期:2007-06-09射量之和, 电压驻波比定义为最大电压与最小电黄秋元:男, 40岁, 副教授, 主要研究领域为高速数字电路与光纤通信 (:1062武汉理工大学学报(交通科学与工程版 2007年第31卷V max 1+ ! 0V SW R =min 1- ! 0

5、(6*的共轭Z *l 相匹配, 在Smith 圆图上标出Z s 与Z l ,并画出等阻抗圆和等电导圆, 如图1所示.从图1中, 可以分别得到Z A =0. 4+j0. 6; y A =0. 8-j1. 2Z B =0. 4-j0. 6; y B =0. 8+j1. 2Z C =1+j2. 46; y C =0. 14-j0. 35Z D =1-j2. 46; y D =0. 14+j0. 35可根据图1中不同的匹配路径, 经计算得出4种不同的匹配网络, 如图2所示.2匹配网络的设计与分析设定GSM 直放站的光收发模块中心频率为900M Hz , 这里以射频信号输入端到激光器的电路为例. 该PC

6、B 板厚度为1. 2m m, 介质为FR-4, 介电常数为4. 7F/m. 模块输入阻抗为50 . 首先需要设计的是一定宽度的特征阻抗为50 的传输线, 经过分析和计算, 此例只能采用式(4 , 进行线路设计. 将参数代入公式, 过程如下50=+ln(+1. 444 eff (1. 393+4848 eff =-1/2+(1+12 22w(7解方程组(7 , 可以得出 eff =3. 1, w =22mm. 实现阻抗的连续连接, 关键是实现负载(LD 和输入阻抗的匹配. 为了降低分析设计的复杂性, 并考虑布板空间限制的因素, 此例采用无源匹配网络, 而不采用微带短线实现阻抗的转换. 以下采用S

7、mith 圆图进行分析.输入900M Hz 的信号时, 激光器LD 的输入阻抗为Z LD =20-j83. 8 . 信号由SMA 头引入, 金属引线长度约为8mm , 所以导线电感约为4. 3nH , 输入阻抗为Z in =50+j 24. 3 . 鉴于布板空间, 用Sm ith 圆图设计L 型匹配网络. 首先得到归一化阻抗为Z s =Z in /Z 0=1+j0. 49y s =0. 8-j0. 4Z l =Z LD /Z 0=0. 4-j1. 8y l =0. 14-j0. 57由于在最佳传输效率时, 源阻抗与负载阻抗 图2由不同路径得到的匹配网络第6期黄秋元, 等:射频电路中匹配网络的设

8、计和分析1063由于在实际应用中, 必须综合考虑匹配网络的频率响应, 所以最终选用图2c 作为匹配网络; 考虑到传输线的分布参数以及焊接中焊盘焊锡等多种因素, 实际选取的元件值和理论上计算的数值还是存在很大差异. 最后用网络分析仪测试, 未加入匹配网络和加入匹配网络后的Smith 圆图所示的电压驻波比, 如图3所示.观察图中曲线的变化, 在采用传输线设计50 传输线的基础上, 加入L 型匹配网络后, 电压驻波比在带宽内由小于1. 51, 改善至小于1. 31, 使电路的该项指标得到了优化, 达到了阻抗匹配网络设计的目的.3 Smith 圆图是进行匹配网络设计的重要工具, 使用方便, 结果准确.

9、参考文献1R einho ld L udw ig , Pa vel Br etchko. 射频电路设计理论与应用. 王子宇, 张肇仪, 徐承和, 译. 北京:电子工业出版社, 20042M ankuan V ai , Sheila Pr asa d . Com puter -aided mi-cr o wav e cir cuit ana ly sis by a co mput er ized numeri-ca l sm ith char t. M icr ow av e and Guided W ave L et-ters . IEEE seealso I EEE M icro wav e

10、 and W ir eless Components L etter s , 1992, 2(7 :294-2963陈伟, 姚天任, 黄秋元. 基于信号完整性的PCB 仿真设计与分析研究. 武汉理工大学学报:交通科学与工程版, 2005, 29(2 :273-2764范寿康, 卢春兰, 李平辉. 微波技术与微波电路. 北京:机械工业出版社, 20035Sun Y , Fidler J K. P ractical considerations of impedance matching netw or k desig n . HF R adio Systems a nd T echniques.

11、 Sixt h Inter natio nal Co n-ference, 1994(4-7 :229-2333结论1 离散参数法是进行传输线的设计, 实现电路的阻抗连续的重要理论依据和分析方法.2 依据电路具体情况, 采用合理的匹配网络, 可有效改善电压驻波比, 提高电路传输效率, 改善电路性能.Design and Analysis of Impedance M atching Netw orkof Radio Frequency CircuitHuang Qiuyuan Dong Shibo(S chool of I nf ormation E ngineering , W uhan U

12、niver sity o f Technology , W uhan 430070AbstractThe circuit desig n of radio frequency is different fro m the cir cuit of low frequency . This paper is fo cused o n the im pedance matching of the radio frequency cir cuit and introduced the basic theo ry of transmission line. A impedance matching ne