阻抗變換器的設計與仿真.doc

精品文檔摘 要射頻設計的主要工作之一，就是使電路的某一部分與另一部分相匹配，在這兩部分之間實現最大功率傳輸，這就需要在射頻電路中加入阻抗變換器從而達到阻抗匹配的目的。本文介紹了一種中心頻率為400MHz、頻寬為40MHz的5075歐姆T型阻抗變換器的設計與仿真過程。文中概述了射頻阻抗變換器的種類、用途及發(fā)展。在分析了阻抗匹配理論基本知識的基礎上，論述了射頻阻抗變換器的設計過程，然后通過ADS軟件進行設計和仿真,并對仿真結果進行了分析總結。關鍵詞:射頻；阻抗匹配；阻抗圓圖；VSWR（電壓駐波比）；ADS目 錄摘 要IABSTRACTII第一章 引 言21.1 概述21.2 射頻阻抗變換電路的類型21.3 射頻阻抗變換器的用途21.4射頻阻抗變換器設計的發(fā)展3第二章 基本原理42.1 阻抗匹配42.2 史密斯圓圖52.2.1 等反射圓52.2.2 等電阻圓圖和等電抗圓圖62.2.3 Smith圓圖（阻抗圓圖）82.3 電壓駐波比9第三章 T型阻抗變換器的設計103.1 T型阻抗變換器（RSRL）的設計步驟103.2 T型阻抗變換器的設計過程12第四章 阻抗變換器電路仿真134.1 ADS 軟件簡介134.2 T型阻抗變換器的仿真結果及分析14第五章 總結16參考文獻17致 謝18表目錄圖1. 1 T型變換電路1圖1. 2 Rs + jXs = RL - jXL時的共軛匹配2圖1. 3 天線與接收端的阻抗匹配2圖2. 1 傳輸線終端連接不同的ZL在等反射圓圖的表示5圖2. 2 等電阻圓 圖2. 3 等電抗圓7圖2. 4 smith圓圖8圖3. 1 T型匹配電路10圖3. 2 T型匹配電路實際電路類型11圖3. 3 T型阻抗變換器電路12圖4. 1 T型阻抗變換器仿真電路13圖4. 2 T型阻抗變換器電路仿真結果142歡迎下載。精品文檔第一章 引 言1.1 概述 在處理RF系統(tǒng)的實際應用問題時，總會遇到一些非常困難的工作，對各部分級聯電路的不同阻抗進行匹配就是其中之一。一般情況下，需要進行匹配的電路包括天線與低噪聲放大器(LNA)之間的匹配、功率放大器輸出(RFOUT)與天線之間的匹配、LNA/VCO輸出與混頻器輸入之間的匹配。匹配的目的是為了保證信號或能量有效地從“信號源”傳送到“負載”。在高頻端，寄生元件(比如連線上的電感、板層之間的電容和導體的電阻)對匹配網絡具有明顯的、不可預知的影響。頻率在數十兆赫茲以上時，理論計算和仿真已經遠遠不能滿足要求，為了得到適當的最終結果，還必須考慮在實驗室中進行的RF測試、并進行適當調諧。需要用計算值確定電路的結構類型和相應的目標元件值. 1.2 射頻阻抗變換電路的類型L型電路阻抗匹配：此型電路結構僅用兩個電抗性元件提供了阻抗匹配，匹配電路的設計都基于Q因數。型變換電路：在L型匹配電路中引入第三個電路元件，即在串聯元件的另一個并聯電納，就可以把電路的Q作為一個設計參數，從而為電路設計提供了必要的靈活性。T型變換電路：T型變換電路如圖1.1所示，它是一個雙重型變換電路。然而在這個電路中，串聯電抗X1首先把電抗提高到，而余下的并聯電納降低電阻。圖1. 1 T型變換電路 其余還有分支電容變換器、并行雙調諧變換器（需精確控制寬帶時使用）。1.3 射頻阻抗變換器的用途阻抗變換器是使傳輸線阻抗和負載阻抗達到匹配，簡單說就是使Z0=ZL?？纱_保傳輸到最終負載的電磁能量值或功率能達到最大量。要使信號源傳送到負載的功率最大，信號源阻抗必須等于負載的共軛阻抗，即Rs + jXs = RL - jXL圖1. 2 Rs+jXs=RL-jXL時的共軛匹配在這個條件下，從信號源到負載傳輸的能量最大。另外，為有效傳輸功率，滿足這個條件可以避免能量從負載反射到信號源，尤其是在諸如視頻傳輸、RF或微波網絡的高頻應用環(huán)境更是如此。阻抗變換器經常應用在天線與低噪聲放大器(LNA)之間的匹配、功率放大器輸出(RFOUT)與天線之間的匹配、LNA/VCO輸出與混頻器輸入之間。例如：天線的阻抗匹配就需要在天線與接收端之間加入射頻阻抗變換器，電路圖如圖1.3所示。圖1. 3 天線與接收端的阻抗匹配阻抗變換器還可應用于內阻抗匹配技術中，例如：管內阻抗匹配問題就需要內阻抗匹配技術，其中就用到了阻抗變換器。1.4射頻阻抗變換器設計的發(fā)展射頻阻抗變換器的設計方法由原先的手工計算、史密斯圓圖法，發(fā)展到了現今使用的計算機軟件仿真。原先的手工計算是一種極其繁瑣的方法，因為需要用到較長計算公式、并且被處理的數據多為復數?，F今的計算機軟件仿真使設計更為方便，而且通過其仿真結果可以得到電路的噪聲系數、輸入輸出駐波比、增益及電路的穩(wěn)定性等指標。射頻電路設計的仿真軟件也在不斷的發(fā)展，之前射頻電路仿真主要用ANSOFT、Microwave office軟件進行仿真，現在的主流仿真軟件為ADS仿真軟件，此軟件在射頻電路的仿真分析與設計方面的應用更為方便。第二章 基本原理2.1 阻抗匹配阻抗匹配是電路學里的重要議題，也是射頻微波電路的重點。傳輸線的阻抗匹配通常有以下兩種類型：（1）信號源與傳輸線之間的阻抗匹配。由于信號源的內阻抗不等于傳輸線的特性阻抗。因而需要在信號源與傳輸線之間加入匹配裝置。信號源與傳輸線的阻抗匹配又有兩種情況： 信號源的共軛匹配。信號源的共軛匹配是指負載得到最大功率的一種措施，實現方法是使負載阻抗(即傳輸線入端的輸入阻抗)等于信號源內阻抗的共軛值，此時負載吸收的功率為最大(可以證明)。 信號源的阻抗匹配。信號源的阻抗匹配是指選擇信號源內阻使或，滿足的電源稱為匹配源，實用中的條件難以完全滿足，為此通常在信號源后接一隔離器，吸收反射波。（2）傳輸線與負載之間的阻抗匹配。由于負載阻抗不等于傳輸線的特性阻抗，當傳輸波到達負載時將產生反射，因而需要在傳輸線與負載之間加入匹配裝置，消除負載的反射，從而使傳輸線工作在行波狀態(tài)。負載與傳輸線之間的阻抗匹配方法很多。對這類匹配裝置的基本要求是引入的附加損耗應可能小、頻帶寬、能適應各種負載。常見的基本匹配裝置有三類：階梯阻抗變換器、支節(jié)匹配器和指數線匹配器。一般的傳輸線都是一端接電源，另一端接負載，此負載可能是天線或任何具有等效阻抗ZL的電路。傳輸線阻抗和負載阻抗達到匹配的定義，簡單說就是使Z0=ZL。在阻抗匹配的環(huán)境中，負載端是不會反射電波的，換句話說，電磁能量完全被負載吸收。因為傳輸線的主要功能就是傳輸能量和傳送電子訊號或數字數據，一個阻抗匹配的負載和電路網絡，將可確保傳輸到最終負載的電磁能量值能達到最大量。最簡單的阻抗匹配方法是設計負載電路使其滿足ZL= Z0的條件。可惜這是理想的情況，在設計實務上，因為負載電路必須先滿足其它必需的條件，否則負載電路就無法提供應用所需的性能，這通常都會影響它和傳輸線的阻抗匹配。解決方案是在傳輸線與最終負載之間加入阻抗匹配網絡，加入此網絡的目的就是為了減少傳輸線和此網絡之間的電波反射作用。如果阻抗匹配網絡是無耗損的，而且其輸入阻抗ZL等于傳輸線的特性阻抗Z0，則能量將可以透過它全部到達負載端。2.2 史密斯圓圖Smith圓圖是解決傳輸線、阻抗匹配等問題的有效圖形工具。2.2.1 等反射圓等反射圓是一組同心圓，半徑為01。等反射圓可以用來表示向量形式的反射系數。傳輸線的反射系數0的表達式為 （2-1）其中 L=arctan(0i/0r) 。圖2. 1 傳輸線終端連接不同的ZL在等反射圓圖的表示 2.2.2 等電阻圓圖和等電抗圓圖1.歸一化阻抗公式 一端連接負載無耗傳輸線的輸入阻抗可表示為 (2-2) 式中，Z0為特性阻抗。對傳輸線的特性阻抗進行歸一化處理可得 (2-3)式中，Zin為歸一化阻抗。用分母的復共軛乘以上式的分子和分母，得到 (2-4)可分別求得歸一化電阻r和電抗x的表達式為 (2-5) (2-6) 重新排列后得 (2-7) (2-8)2.等電阻圓和等電抗圓公式（2-7）和公式（2-8）分別表示直角平面和上的兩組圓，等電阻圓如圖2.2所示，等電抗圓如圖2.3所示。圖2. 2 等電阻圓 圖2. 3 等電抗圓(1) 等電阻圓對于等電阻圓有 半徑： 圓心： r的范圍是0r。當r=0時，圓的中心在原點，半徑為1。當r=1時，圓的中心向正方向位移1/2單位，半徑為1/2。當r時，圓的中心位移收斂到+1點，圓的半徑0。(2) 等電抗圓對于等電抗圓 半徑： 圓心：x的范圍為x,x可為負（即電容性），也可為正（即電感性）。所有的圓的中心都在過點并垂直于實數軸（）的線（虛線）上。對于x=，可以得到一個半徑為零的圓，即是位于和的一個點。當x0時，圓的半徑和圓的中心沿著垂直于實數軸（）的線（虛線）的位移趨于無限大。從圖3可以看出，代表電感性阻抗的正值位于平面的上半部分，代表電容性阻抗的負值位于平面的下半部分。2.2.3 Smith圓圖（阻抗圓圖）將等電阻圓和等電抗圓組合在一起，在的圓內可得到如圖2.4所示的Smith圓圖。在Smith圓圖中，上半部分x為正數，表示阻抗具有電感性，下半部分為x為負數，表示阻抗具有電容性。水平軸表示的是純電阻。圓圖上的任何一點描述的是電阻和電抗的串聯，即z=r+jx形式。圖2. 4 smith圓圖2.3 電壓駐波比兩頻率相同、振幅相近的電磁波能量流面對面地相撞在一起，會產生駐波，這種電磁波的能量粒子在空間中是處于靜止狀態(tài)的，此暫停運動的時間長度比兩電磁波能量流動的時間要長。因為駐波的能量粒子是靜止不動的，所以，沒有能量流進駐波或從駐波流出來。上述敘述較抽象，但是這里舉個類似的例子，就可說明什么是駐波：做個物理實驗，將兩個口徑、流速都相同的水管，面對面相噴，在兩水管之間將會激起一個上下飛奔的水柱，這個水柱就是駐波。如果是在無地心引力的空間中，這個水柱將靜止在那里不會墜地。 電磁波在傳輸線流動，入射波和反射波相遇時就會產生駐波。在阻抗不匹配的情況下, 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅max ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅min ，形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。 反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數，記為，即 反射波幅度 （L0） 入射波幅度 （L0）波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數，也叫電壓駐波比，記為 VSWR 波腹電壓幅度 max （1 + ） VSWR 波節(jié)電壓輻度 min （1 ） 終端負載阻抗L 和特性阻抗0 越接近，反射系數越小，駐波比VSWR 越接近于1，匹配也就越好。當VSWR=時，表示電磁波能量完全無法傳遞到負載上，傳輸線阻抗完全不匹配。第三章 T型阻抗變換器的設計3.1 T型阻抗變換器（RSRL）的設計步驟步驟1：決定工作頻率fc、負載Q值、輸入阻抗RS及輸出阻抗RL。并求出 Rsmall=min(RS,RL)步驟2：依圖3.1中所示及下列公式計算出、。， ，圖3. 1 T型匹配電路步驟3：根據電路選用元件的不同，可有4種形式。如圖3.2（a）、（b）、（c）、（d）所示。其中電感、電容值的求法為：， （a） (b) (c) (d) 圖3. 2 T型匹配電路實際電路類型3.2 T型阻抗變換器的設計過程設計一中心頻率為400MHz，頻寬為40MHz的5075T型阻抗變換器（，）。步驟1：決定工作頻率，負載Q值=400/40=10,輸入阻抗及 輸出阻抗。 求出：步驟2：根據圖3.1所示及下列公式計算出、。；步驟3: 根據電路選用元件的不同，有4種組成形式。如圖3.2所示，選用圖3.2(C)所示電路，其電感、電容值的計算如下 將計算出的LS1、CP2、LS2、CP2所對應的元件代入圖3.1中，便可得到T型阻抗變換器電路,如圖3.3所示。圖3. 3 T型阻抗變換器電路第四章 阻抗變換器電路仿真4.1 ADS 軟件簡介ADS Advanced Design System，由美國Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是當今業(yè)界最流行的微波射頻電路、通信系統(tǒng)、RFIC設計軟件；也是國內高校、科研院所和大型IT公司使用最多的軟件之一。其功能非常強大，仿真手段豐富多樣，可實現包括時域和頻域、數字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優(yōu)秀的微波射頻電路、系統(tǒng)信號鏈路的設計工具。主要應用于：射頻和微波電路的設計，通信系統(tǒng)的設計，RFIC設計，DSP設計和向量仿真。4.2 T型阻抗變換器的仿真結果及分析本文設計仿真所用軟件為ADS軟件，ADS軟件在射頻電路的仿真分析與設計方面的應用非常方便，對信號特性可進行S參量仿真，設計仿真電路如圖4.1所示圖4. 1 T型阻抗變換器仿真電路對上圖所示電路進行S參數仿真，結果如圖4.2所示圖4. 2 T型阻抗變換器電路仿真結果從仿真結果圖中可看出，S(1,1)代表電路反射系數，S（1,1）波谷的頻率為電路工作中心頻率400MHz，此時反射系數為最小值，從電壓駐波比角度分析可知終端負載阻抗L和特性阻抗0 越接近，反射系數越小，駐波比VSWR 越接近于1，匹配也就越好。S(2,1)代表電路的傳輸系數，S(2,1)波峰的頻率也為電路工作中心頻率400MHz，此時傳輸系數為最大值，說明此電路可確保傳輸到最終負載的能量和傳送電子訊號或數字數據能達到最大量。還可由圖看出S(1,1)波谷的頻率和S（2,1）波峰的頻率同為電路的工作頻率400MHz，說明此時電路既能達到最大值的輸