【《微带双枝短截线匹配电路的设计和仿真研究》10000字（论文）】

-[7]。电压驻波比（VSWR）：表示馈线和天线的阻抗完全匹配。表示为：VSWR=式中：Umax馈线电压最大值；Umin馈线电压最小值上。VSWR大于1，说明送出去的功率有一部分被发射回来。输送效率降低。VSWR等于1，说明全匹配。正常情况下它的值要小于1.5。这几个参数之间的关系：VSWR=S11=20lgΓ#RL=−S11#2.4ADS软件基础随着现在的科技日新月异的进步，有很多的技术、材料等在不断地涌现。在设计电路系统的过程中辅助软件的应用也越来越多。怎么样可以用最有效最实用的方法设计出最稳定可靠的电路系统是一个很大问题。我们所用到的辅助工具怎么样才能给我们的工作带来最大便利。它需要不断地去收录在实际生产中的每一个数据，然后在经过整理和分析。扬长避短不能让以前出现的问题去影响后来人，这是一款软件所必须拥有的功能。ADS作为一款很好的设计辅助软件，它方便了人们的学习与工作。它主要的功能框架如下：图2.5软件功能框架图

3阻抗匹配电路的设计和仿真3.1用分立电容电感匹配设计步骤和目标，具体设计步骤如下：（1）在原理图里设定输入/输出端口和相应的阻抗。（2）在原理图里加入SmithChartMatching控件，在控件的参数里面设置相关的频率和输入/输岀阻抗等参数。（3）打开SmithChartUtility,导入对应SmithChartMatching控件的相关参数或者输入相关参数。（4）在SmithChartUtility中选用元器件完成匹配。（5）生成匹配的原理图。设计目标：设计L形阻抗匹配网络，使ZS=25−j∗15Ohm与ZL3.1.1设计及仿真过程建立原理图如下图3.1所示。图3.1控件参数设置好的原理图对应生成的匹配网络子电路图3.2所示，由图可知这次匹配运用了分立的电容电感器件以及它们具体的阻抗值。L=96.781916nH，C=46.732456pH。图3.2匹配电路在SmithChart窗口进行的匹配过程如图3.3所示，从这个图中我们可以清晰的看出整个过程中每一个步骤是如何实现的。在ZS和ZL之间的绿色的点是ZL第一次经并联了电容调整后的阻值。最后再把并联的部分和电感串联。图3.3史密斯圆匹配过程3.1.2仿真结果及分析最终的仿真结果如图3.4所示：图3.4仿真结果从上面的仿真结果中可以很清楚地看到在中心频率FP=50MHz时：输入、输岀阻抗在50MHz时，回波损耗dB(S11)=dB(S22)=-95.824dB小于-20dB。传输系数S12和S21都接近于0且大于-3dB。通过数据分析实现了在中心频率FP=50MHz时，该电路完成了很好的匹配。对于不同的工作环境以及不同的要求我们要选择具体的那种形式的匹配电路，这样会比较方便地找到所需元件。在频率较高的场合LC分立器件自身的寄生参数会对整体的阻抗匹配网络的性能产生很大的影响。3.2微带单枝短截线匹配电路的仿真本小节我们所讨论的匹配电路，它是由串联的微带线和并联的终端开路短截线或终端短路短截线所组成的。这种电路有两种常规的结构：（1）一种是负载与短截线并联后再与一段串联传输线相连；（2）另外一种是负载与串联传输线相连后再与一段终端开路或终端短路短截线并联。其示意图如下图3.5所示：图3.5微带单枝短截线匹配电路的拓扑结构设计目标：为了解决上面LC分立器件匹配电路，在频率高于1GHz时它自己本身的参数会产生很大的影响。设计一种匹配电路可以解决这个问题。把ZL=30+j∗50Ohm匹配到Z3.2.1设计及仿真过程（1）在原理图中插入S参数仿真模块；（2）设计原理图设置参数；设置中心频率为FP=1.5GHz、源阻抗的阻值ZL（3）将S参数的扫频范围设置为：Start=1GHz、Stop=2GHz、Step=0.001GHz。设置完成的电路原理图如下图3.6所示：图3.6完成参数设置的微带单枝短截线匹配电路原理图在原理图中，单击“Pushintohierarchy”会自动生成匹配网络子电路如图3.7所示。图3.7微带单枝短截线匹配网络的子电路图我们可以从图中看出微带T形节向三个方向的宽度都相等。传输线MLIN它的宽度为9.761mil长度为1460mil。微带短路枝节线MLEF它的宽度和T形节相对于，长度为252mil。原理图对应的匹配网络子电路图的拓扑结构为上文中介绍的第二种。这种匹配网络适用于频率高与1GHz的工作场合。3.2.2仿真结果及分析由下面的图3.8可知，当在中心频率f=1.5GHz时S11和S22幅度为0.08小于0.1，说明在中心频率f=1.5GHz附近时回波损耗小。在中心频率f=1.5GHz时S12和S由下面的对比分析图，当在中心频率f=1.5GHz附近S11、S22的值为最小值S12和S21的值为最大值。S11、S22为图3.8微带单枝短截线匹配的仿真结果图3.9微带单枝短截线S参数对比分析图微带单枝短截线匹配电路简单、实用，已经可以广泛的用于匹配电路的设计之中。微带线的特性阻抗太大的话它的线宽会很窄。在对微带线进行制作加工时会有很大的误差。在设计匹配电路时我们应该合理地选择特性阻抗的大小。

4微带双枝短截线匹配电路的设计和仿真微带单枝短截线匹配电路简单、实用，已经可以广泛的用于匹配电路的设计之中。但是这种匹配电路有很大的缺点，它的灵活性很差在进行匹配时必须要在端口和负载中加上一段传输线。在常规的情况下这个问题是可以不计的，但是很多时候工作环境会发生变化。会导致整个系统的阻抗也发生变化，这样我们已经投入使用的匹配电路将会失去作用。所以为了更好的克服这些问题，我们必须设计出更加完美的电路。图4.1常规拓扑结构图上图中的结构图，输入阻抗和负载之间接入了三段传输线，在第一个传输线和第二个传输线后并接入一段接地的短截线，最后的负载需要接地。4.1双枝短截线匹配电路的设计设计目标：弥补微带单支短截线的缺点。使ZL=50+j∗50Ohm与ZIN电路原理图的设计：（1）新建原理图，在原理图中插入S参数仿真模块；（2）Term1为源阻抗，ZS=500hm；Term2为负载，修改Term2阻抗为（3）将S参数的扫频范围设置为：Start=0GHz、Stop=2GHz、Step=0.001GHz。完成后的原理图如下图4.2所示：图4.2微带双枝短截线匹配的电路原理图4.2微带双枝短截线匹配电路的仿真过程及结果分析4.2.1设计及匹配过程在“Palette”中选择传输线和短路线，插入“NetworkSchematic”窗口中的拓扑结构中并设置它们的长度和电长度。最终的匹配网络结构如下图所示：图4.3匹配器件和匹配网络拓扑图上图中所有的传输线都是同一规格。它们的电长度是提前算出来，然后在通过与其他的传输线连接后再设置它们的参数。匹配网络拓扑图中所有的传输线和短路线的特性阻抗为50Ohm,传输线和短路线的电长度标于图中。这次的匹配过程我们选用的控件和3.2节的一样。但是具体的匹配过程是采用了依次添加元件。然后先通过计算他们的电长度，然后再把值输入到控件里面。图4.4就描述了匹配电路如何实现功能的。其实这个过程就是通过我们接去入其他的元件组成的电路，来一步一步改变我们需要变化的那个负载的阻值。最后是负载的阻值变成我们需要的值。在Simth圆图中匹配的过程如下图所示图4.4双枝短截线匹配电路的匹配过程前面我们完成了匹配的设计部分，下图是我们在软件中设计的电路的一个子图。通过原理图并且进行参数设置后，生成的图如下所示：图4.5匹配网络子电路图以上的过程就完成了普通传输线双枝匹配电路的设计。为了设计微带双枝短截线匹配电路的还需要将普通传输线换成微带线。微带线的参数如下表所示表4.1微带线参数值微带线W（mm）L（mm）TL60.23247645.2339TL70.23247645.2339TL80.2324766.17527TL90.2324768.90271TL100.23247615.078我们把传输线都进行了替换，然后完成参数设置的微带双枝短截线匹配网络子电路图4.6匹配网络子电路图MLIN为一般的微带线。在该电路中所有的MLIN的特性阻抗为50Ohm电长度为45deg。MLSC为微带短路枝节线。MTEE为微带T形节，MSub为微带基片。至此，就完成了该微带匹配电路设计的所有工作。4.2.2.参数的仿真与结果分析由下面的仿真结果中我们可以看出在FP=1.0GHz时，S11=S22=0.019小于0.1。，S11和S22它们表示能量传输的多少，即在这个过程中有多少能量没有被传输。为了传输功率最大和减少线路反射这个值一般比较小，S图4.7微带双枝短截线匹配电路的仿真结果在上面仿真结果图中，在中心频率FP=1.0GHz时S21=S12=-0.002dB大于-3dB。所以这个值越大则代表传输效率好。它的理想值是1，即0dB。通常情况下S21、S12的值应该比0.7大，即应该大于-3dB。图4.8S参数对比分析图在中心频率FP=1.0GHz时，S11和S22均为-34.253dB，小于-20dB。S12和S21均为-0.002dB，大于-3dB。仿真结果的S参数值整体良好，可以说明该匹配电路匹配完成情况良好。4.3对比分析上文我们已经完成了匹配电路的设计和仿真。现在对这三种匹配电路进行对比分析：阻抗匹配作为射频电路设计中的重要部分，而回波损耗和传输系数是评价和衡量所设计的电路优劣的重要指标。我们经过对设计的不同匹配电路的回波损耗和传输系数进行比较，我们可以更加直观的看出这些匹配电路的优缺点。表4.2各匹配电路的参数对比LC分立器件匹配电路微带单枝短截线匹配电路微带双枝短截线匹配电路中心频率50MHz1.5GHz1.0GHzS11-95.824dB-43.731dB-34.253dBS12S21S22-0.005dB-0.005dB-95.824dB-0.028dB-0.028dB-43.731dB-0.002dB-0.002dB-34.253dB由上表可知各匹配电路的回波损耗<-20dB，传输系数都>-3dB而且近似等于零，匹配完成良好。在较低的频段LC分立器件的S参数值要比采用分布参数元件的匹配电路要好。但在较高的频段，由于分立元件它自己的寄生参数对系统的影响比较大。在高频段其他两个匹配电路的S参数值更加理想。经对比分析我们可以得出：LC分立器件匹配电路，电路结构简洁、功率损耗小、经济成本低，电路S参数值理想。但是在频率较高的场合它自身的寄生参数会对整体网络的性能产生很大的影响。微带单枝短截线匹配电路。有多种拓扑结构可根据所需情况具体选择，它可以促成任何输入阻抗ZS和另一个负载阻抗ZL的匹配。由于其方便、实用的亮点，它早就在射频放大器电路中已经得到普遍的使用。但是这种匹配电路有一个很大的约束，就是需要在短截传输线和首端入口或在短截线和末端的负载中间加入一个长度可以变化的传输线。正因为如此它对于负载变化的电路就不容易实现匹配。双枝匹配电路比单枝电路更容易完成匹配阻抗的调节。在大多数阻抗可调节的匹配电路中，通常选择使用双枝短截线匹配电路。但该电路的S参数值不如单枝匹配电路理想。结论近些年伴随着科技的进步，微带线通信技术也获得了快速的发展。匹配电路作为最基础的部分也需要不断地优化进步。本文使用ADS软件建立了多个匹配电路模型，对其进行了模拟仿真，通过对其S参数的效能分析，旨在设计出性能更加优越的匹配电路。得到以下结论：（1）建立集总参数器件匹配电路。选用LC分立器件，在FP=50MHz时（2）微带单枝短截线匹配电路。选用分散参数器件，它在频率高于1GHz的工作场合匹配网络的整体的可靠性高。中心频率FP=1.5GHz时，S11=−43.731dB小于-20dB、（3）微带双枝短截线匹配电路。该电路比单枝电路更容易实现匹配阻抗的调节。在FP=1.0Ghz时，S11和S22均为-34.253dB，小于-20dB。S12参考文献Khaleghi,Seyed,Saleh,Mousavi,Moradi,&Gholamreza,etal.(2019).MicrostripLineImpedanceMatchingUsingEnzMetamaterials,Design,andApplication[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,67,2243-2251.李美娜.天线自适应阻抗匹配网络的研究[D].大连交通大学,2018.清华大学《微带电路》编写组编.微带电路[M].北京：人民邮电出版社.1976.张伟.传输线阻抗匹配问题浅析[J].电子制作,2016(10X):21-21.曹顺锋.新型快速阵列天线方向图综合方法的研究[D].陕西:西安电子科技大学,2016.胡小兰.S参数测量中的误差与修正[J].国外电子测量技术,2006,25(6):12-15.窦建华,徐兰天,杨学志.测量匹配网络S参数的转换模型[J].电子测量与仪器学报,