第二節(jié)課-匹配課件.

1、在射頻電路設(shè)計中，阻抗匹配是很重要的一環(huán)。阻抗匹配的目的就是使負(fù)載阻抗與源阻抗共軛匹配，從而獲得最大的功率傳輸，并使饋線上功率損耗最小。實(shí)現(xiàn)以上匹配的通常做法是在源與負(fù)載之間插入一個無源網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)通常被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)。微帶線的線長與電路的工作頻率有關(guān)，因此在低頻電路中，如果用微帶線的方式來設(shè)計將會導(dǎo)致電路板面積過大而不適用，通常用LC分立器件進(jìn)行匹配。但在高頻電路中，微帶線得到了廣泛的應(yīng)用。這部分就匹配的基本原理進(jìn)行簡要論述，對分立器件和微帶線匹配的具體方法分別論述，并介紹ADS里自帶的Smith圓圖匹配工具和LincCacl工具，另外還將舉例說明如何通過自帶工具進(jìn)行分立元器件和微帶線進(jìn)行阻

2、抗匹配。匹配基本原理匹配基本原理Smith Chart Utility Tool是ADS里面自帶的工具，提供了Smith Chart的全部功能，既能夠進(jìn)行阻抗匹配，又可在Smith Chart繪制輸入/輸出穩(wěn)定性圓、等增益圓、等Q值線、等VSWR圓、等噪聲圓等。1.1.1打開打開Smith Chart Utility在原理圖窗口里，執(zhí)行菜單命令【Tool】-【 Smith Chart】即可打開Smith Chart Utility。在設(shè)計向?qū)Р藛沃?，有多個方法可以選擇進(jìn)入Smith Chart Utility（在ADS最初安裝的時候要選擇完全安裝，否則再設(shè)計向?qū)Р藛沃酗@示的工具不完全）。（1）

3、【DesignGuide】-【Amplifier】-【Tools】-【Smith Chart Utility】。（2）【DesignGuide】-【Filter】-【Smith Chart】。（3） 【DesignGuide】-【Mixers】-【Tools】-【 Smith Chart Utility】。（4） 【DesignGuide】-【Osclillar】-【Tools】-【Smith Chart】。Smith Chart Utility Tool說明說明Smith Chart Utility界面如下圖所示。Simth Chart Utility既可和原理圖上的Smith Chart

4、Matching控件聯(lián)合起來。也可以單獨(dú)使用。在原理圖窗口元器件面板列表的Smith Chart Matching欄中可以調(diào)出Smith Chart Matching，如下圖所示。Simth圓圖控件1.1.2 Smith Chart Utility界面介紹界面介紹Smith chart utility的界面可以分成作圖區(qū)、參數(shù)提示區(qū)、網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)區(qū)、匹配電路預(yù)覽等幾個部分，如下圖所示。菜單欄工具欄元件調(diào)用面板作圖區(qū)參數(shù)提示區(qū)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)圖匹配網(wǎng)絡(luò)預(yù)覽區(qū)當(dāng)前對應(yīng)的原理圖和Smith Component右上角的“Current Schematic”和“Smith Component”下拉列表是用來讓Smi

5、th Chart Utility和原理圖上的Smith Chart Matching相對應(yīng)的，會彈出如圖所示對話框，這是一個更新操作提示選項(xiàng)。SmartComponent控件更新時，Smith Chart Utility參數(shù)也更新原理圖的SmithComponent控件更新時，Simth Chart Utility參數(shù)也更新1.1.3菜單欄和工具欄菜單欄和工具欄菜單欄包括【Flile】、【Edit】、【View】、【Circle】、【Help】5個菜單。（1）【File】菜單【New Smith Chart】：創(chuàng)建一個新的Smith Chart Utility【Open Smith Chart

6、 】：打開一個已經(jīng)存在的Smith Chart Utility【Save】：保存Smith Chart Utility【Save As】：另存為Smith Chart Utility【Import Data File】：導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，如S2P【Exit Utility】：離開當(dāng)前的Smith Chart Utility（2）【Edit】菜單【Delete SmartCompoonent】：刪除原理圖中的SmartComponent【Reset】：把作圖區(qū)的匹配網(wǎng)絡(luò)復(fù)位（清零），即刪除一切匹配電路，恢復(fù)到 輸入/輸出端口全在Smith圓圖圓心。【Refresh】：刷新【End Command】：

7、終止當(dāng)前操作(3)【View】菜單【Chart Option】：在這里可以選擇Smith圓圖上為阻抗還是導(dǎo)納圖，以及主要的刻度。【Colors】：選擇在Smith圓圖中顯示的不同圓系和曲線的顏色。【S Parameter】：輸入S參數(shù)【Noise Parameter】：輸入噪聲參數(shù)【Palette】：作圖區(qū)左上角的Palette元器件列表【Zoom In】：將選定的區(qū)域放大【Auto Zoon】：查看全部（4）【Circles】菜單【Input Stability】：繪制輸入穩(wěn)定性圓【Output Stability】：繪制輸出穩(wěn)定性圓【Q】：繪制等Q值曲線【Noise】：繪制等噪聲圓【VSW

8、Rin】：繪制輸入等VSWR【VSWRout】：繪制輸出等VSWR【Unilateral】：單向化設(shè)計，即假定S12=0，其中有等圓增益和等負(fù)載增益圓兩項(xiàng)子項(xiàng)?！綛ilateral】：雙向化設(shè)計。其中有等增益圓和等有效功率增益圓(5)【Help】菜單【Smith Chart Utility Documentation】：幫助文件的主題和目錄【About Smith Chart Utility】：關(guān)于Smith Chart Utility工具欄包括Smith Chart Utility各種常用工具的快捷按鈕，通過它們可以方便的進(jìn)行操作，下面將默認(rèn)的工具欄按鈕進(jìn)行介紹。 ：新建一個Smith Ch

9、art Utility ：打開一個存在Smith Chart Utility ：保存當(dāng)前的Smith Chart Utility ：打印 ：在作圖區(qū)的Smith圓圖顯示（或不顯示）阻抗圓圖 ：在圓圖區(qū)的Smith圓圖顯示（或不顯示）導(dǎo)納圓圖 ：圓圖顯示選項(xiàng)按鈕 ：操作結(jié)束的快捷按鈕 ：全部顯示的快捷按鈕 ：元器件面板快捷按鈕 ：刪除SmartComponent快捷鍵按鈕 1.1.4 smith Chart Utility作圖區(qū)作圖區(qū)Smart Chart Utility作圖區(qū)如下圖所示。（1）左上角的兩列12個圖標(biāo)可以在smith chart中畫出相應(yīng)的器件用于匹配，具體含義如下： ：源（共軛

10、）端口 ：負(fù)載端口 ：串聯(lián)電感，沿阻抗圓順時針移動 沿電阻圓 從下到上 ：并聯(lián)電感，沿導(dǎo)納圓逆時針移動 沿電導(dǎo)圓 從下到上 ：串聯(lián)電容，沿阻抗圓逆時針移動 沿電阻圓 從上到下 ：并聯(lián)電容，沿導(dǎo)納圓順時針移動 沿電導(dǎo)圓 從上到下 ：串聯(lián)電阻，沿等電抗圓移動 ：并聯(lián)電阻，沿等電納圓移動 ：變壓器，沿等Q值線移動 ：串聯(lián)微帶線，沿等VSWR圓順時針移動 ：并聯(lián)短路微帶線枝節(jié)，沿等導(dǎo)納圓逆時針移動 ：并聯(lián)開路微帶線枝節(jié)，沿等導(dǎo)納圓順時針移動 （2）默認(rèn)情況下，藍(lán)色的是阻抗圓圖，紅色的是導(dǎo)納圓?？梢酝ㄟ^【View】下拉菜單【Chart Option】選項(xiàng)來修改其刻度和【Color】選項(xiàng)修改其顏色，如下圖

11、所示。在作圖區(qū)內(nèi)可以畫出輸入輸出穩(wěn)定性圓、等增益圓、等Q值線、等VSWR圓、等噪聲源等，具體的匹配電路也在這里顯示出來。（3）輸入輸出不穩(wěn)定圓、等增益圓和等噪聲圓都是和晶體管關(guān)系密切的圓系，因此要畫這些圓首先要在Smith Chart Utility中輸入某個晶體管在某個偏置和某個頻率下的S參數(shù)和噪聲參數(shù)，（這些參數(shù)可以從器件手冊中找到，也可以從ADS的數(shù)據(jù)文件中導(dǎo)出。）通過執(zhí)行如下左圖所示的菜單命令即可打開相應(yīng)的如右圖所示的對話框，按圖設(shè)置其數(shù)據(jù)。（4）這時就可以繪出晶體管在該偏置頻率下的輸出輸入穩(wěn)定性圓、等增益圓系，輸入輸出等VSWR圓系等。如下圖所示。輸入穩(wěn)定性圓輸出穩(wěn)定性圓輸入等VSW

12、R圓輸出等VSWR圓等增益圓資用等增益圓（5）繪出的輸入/輸出穩(wěn)定性圓、等增益圓等，如下圖所示。輸出穩(wěn)定性圓輸入穩(wěn)定性圓資用功率等增益圓工作功率等增益圓（6）繪出的輸入/輸出駐波比圓如下圖所示。輸入等VSWR圓輸出等VSWR圓（7）輸入噪聲參數(shù)如下圖所示。四個參數(shù)的含義如下：GammaOPT：最小噪聲處的輸入端最佳反射系數(shù)絕對值argGammaOPT：最小噪聲處的輸入端最佳反射系數(shù)的復(fù)數(shù)角度Fmin：最小噪聲系數(shù)（dB），他與偏置條件和工作頻率有關(guān)。Rn：器件的等效噪聲電阻這時就可以繪出晶體管在該偏置該頻率下的等噪聲圓系。執(zhí)行菜單命令【Cirle】-【Noise】，繪出的 等噪聲曲線如圖所示。

13、修改噪聲系數(shù)，得到不同的噪聲源噪聲系數(shù)圓（8）繪出的等Q值曲線如下圖所示?？梢酝ㄟ^改變此處的參數(shù)得到不同的等Q值曲線等Q值曲線在這些曲線和圓系里面，等Q值曲線、等噪聲曲線、等增益曲線可以通過調(diào)節(jié)各自的值來看到不同的Q值、不同噪聲系數(shù)、不同增益的曲線和圓系。（9）還可以調(diào)節(jié)各曲線圓系的線條顏色，執(zhí)行菜單【View】-【Colors】，如下圖所示。（10）在Smith圓圖上方，可以設(shè)置頻率和歸一化阻抗，如果勾選“Normalize”則表示歸一化，如下圖所示。（11）單擊【Define Source/Load Network Termination】按鈕，彈出“Network Termination

14、”對話框，可以設(shè)置輸入和輸出阻抗，如下圖所示。在輸入阻抗和輸出阻抗的下拉列表里有很多阻抗類型，具體如下。Resisitive：電阻Series RL：串聯(lián)電阻、電感Series RC：串聯(lián)電阻、電容Parallel RL：并聯(lián)電阻、電感Parallel RC：并聯(lián)電阻、電容Series RLC：串聯(lián)電阻、電感、電容Parallel RLC：并聯(lián)電阻、電感、電容S-Parameter File：導(dǎo)入S參數(shù)數(shù)據(jù)文件的阻抗Complex Impedance：復(fù)數(shù)阻抗Manual Entry：手動輸入1.1.5 Smith Chart Ulility頻率響應(yīng)區(qū)頻率響應(yīng)區(qū)Smith Chart Ulil

15、ity頻響區(qū)如下圖所示對檢查匹配網(wǎng)絡(luò)和觀察已給數(shù)據(jù)的性能來說， Smith Chart Ulility網(wǎng)絡(luò)區(qū)可以很方便和快捷的看到匹配網(wǎng)絡(luò)的性能和響應(yīng)，從而進(jìn)行調(diào)整。 Smith Chart 的每個改動都會實(shí)時反映在頻率響應(yīng)曲線里面。同時，匹配網(wǎng)絡(luò)示圖區(qū)里面可以看到匹配電路的結(jié)構(gòu)和元器件。選中元器件時，會在下方顯示相應(yīng)元器件的參數(shù)值。在網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)（頻域）里面可以顯示匹配網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)的幅度和相位。“Start Freq”：起始頻率（單位Hz）“Stop Freq”：截止頻率（單位Hz）“Max”：縱坐標(biāo)的最上邊緣的最大值。對于幅度響應(yīng)，最大值為1；對于相位響應(yīng)，最大值為180“Min”：縱坐標(biāo)的最

16、下邊緣的最小值。對于幅度響應(yīng)，最小值為0；對于相位響應(yīng)，最小值為-180“Type”：設(shè)置顯示類型，有幅度、相位、或dB三種方式“Tracel1”：選擇一個S參數(shù)（藍(lán)色線條）“Tracel2”：選擇一個S參數(shù)，包括是S11、S22、S12、S21（紅色線條）“Rest”：復(fù)位全部設(shè)置匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)區(qū)域可以預(yù)覽匹配電路，也可以修改元器件參數(shù)或刪掉元器件。2.下面我們來講一下用分立電容電感匹配實(shí)例下面我們來講一下用分立電容電感匹配實(shí)例設(shè)計步驟如下所示（1）在原理圖中設(shè)定輸入輸出端口和相應(yīng)的阻抗。（2）在原理圖中加入Smith Chart Matching控件，并設(shè)置相關(guān)的頻率和輸入輸出阻抗等參數(shù)。（

17、3）打開Smith Chart Utility，導(dǎo)入對應(yīng)Smith Chart Matching控件的相關(guān)參數(shù)或者輸入相關(guān)參數(shù)。（4）在Smith Chart Utility中選用器件完成匹配。（5）生成匹配原理圖。設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使 信號源和信號源和 的負(fù)載匹配，頻率為的負(fù)載匹配，頻率為50MHz。（1）新建ADS工程，新建原理圖，如下圖所示。OhmjZS15*25OhmjzL25*100在原理圖中可以看到端口和S-parameters的控件已經(jīng)添加好了，如下圖所示。（2）雙擊Term端口，彈出設(shè)置對話框，分別把Term1設(shè)置成 Term2設(shè)置

18、 。這里，Term1作為源，Term2作為負(fù)載，如下圖所示。OhmjZ15*25OhmjZ25*100（3）在元器件面板列表中選擇“Smith Chart Matching”，單擊 圖標(biāo)，在原理圖里添加“DA-SmithChartMatching”控件，使用時需要考慮方向，如下圖所示。因?yàn)楣ぷ黝l率是50MHz，所以在S-Parameters控件里設(shè)置從1-100MHz，步長為1MHz，如下圖所示。源/輸入的方向負(fù)載/輸出方向（4）雙擊DA-SmithchartMatching控件，設(shè)置控件的相關(guān)參數(shù)，如下圖所示。在上圖中，關(guān)鍵的設(shè)置有Fp=50MHz，Source Type=Complex I

19、mpedance，Source Enalbe=True，源阻抗Zg=(25-j*15)Ohm,SourceImpType=Source Impedance, Load Type=Complex Impedance, Load Enable=True,負(fù)載阻抗 ，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。OhmjzL)25*100(（5）在原理圖設(shè)計窗口中，執(zhí)行菜單命令【Tools】-【Smith Chart】，彈出“SmartComponent Sync”對話框，選擇“update SmartComponent from Simth Chart Utility ”選項(xiàng)后，單擊【OK】按鈕，彈出“Simth Char

20、t Utility ”對話框，如下圖所示。（6）在上圖中，圈出的地方需要設(shè)置Freq和Zo，這里要設(shè)置為Freq=0.05GHz,Zo=50Ohm。單擊【Define Source/Loade Network Terminations】按鈕，彈出“NetworkTerminations”對話框，如下圖所示，在這里可以設(shè)置源和負(fù)載的阻抗。（7）在上面的圖中，需要把“Eable Source Termination”和“Enable Load Termination”的選項(xiàng)勾選上，它們是為了配合圖“Smith Chart Matching Network”對話框中的“SourceEnable=Tu

21、re”和“LoadEnable=Ture”。設(shè)置完成后依次單擊【Apply】和【OK】按鈕，可以看到源（小圓標(biāo)記）和負(fù)載（方形標(biāo)記）阻抗點(diǎn)都顯現(xiàn)在Smith原圖上了。如下圖所示。（8）采用LC分立器件匹配過程如下圖所示。（8）單擊【Build ADS Circuit】按鈕，即可生成相應(yīng)的電路。單擊 圖標(biāo)可以查看匹配電路，如下圖所示。 （9）按仿真按鈕進(jìn)行仿真，結(jié)果如下圖所示。從圖中可以清楚的看到，輸入輸出反射系數(shù)在50MHz時，dB（S11）=dB（S22=-50dB。因?yàn)檫@是一個無源網(wǎng)絡(luò)，所以S11和S22的曲線相同，S12和S21的曲線相同。除了手動匹配外，在Smith Chart Uti

22、lity在下兩行有個【Auto 2-Element Match】按鈕，單擊它可以提供自動兩元器件匹配。在確定輸入輸出阻抗后，單擊【Auto 2-Element Match】按鈕，會彈出“Network Select”對話框，提供兩個匹配供選擇，如圖所示。（10）單擊左邊的串聯(lián)電感并聯(lián)短路電容的匹配網(wǎng)絡(luò)按鈕，自動生成匹配路徑，如下圖所示。（11）單擊【Build ADS Circuit】按鈕，在原理圖上生成匹配電路，如下圖所示。本例采用的是L型匹配。一般電路阻抗匹配的方法有多種，可根據(jù)具體電路參數(shù)要求進(jìn)行選擇，如VSWR、帶寬（Q值）、隔直要求等。在實(shí)際應(yīng)用中，也要考慮匹配后LC元器件值是否為常

23、規(guī)值，進(jìn)而選擇匹配電路。3.微帶單枝短截線匹配電路的仿真微帶單枝短截線匹配電路的仿真設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計微帶單枝短截線匹配電路，把阻抗 的負(fù)載匹配到阻抗 的信號源，中心頻率為1.5GHz。1.建立工程（1）運(yùn)行ADS2008，彈出ADS主窗口。（2）執(zhí)行菜單命令【File】-【New Project】，彈出“New Project”對話框。其中，“Name”文本框中為默認(rèn)的工作路徑，在路徑的末尾輸入“MLINSmatching”，如下圖所示。（3）單擊【OK】按鈕，完成新建工程。OhmjzL)50*30(Ohmjzs)40*55(2.設(shè)計原理圖（1）單擊工具欄中的保存按鈕，在彈出的的對話框中命名原理

24、圖為“MLINSMatching”并保存。在原理圖設(shè)計窗口的面板列表中選擇“passive Circuit DG-Matching”，然后在原理圖中加入元器件“MSUB” (微帶基片)和元器件“SSMtch” （微帶單枝短截線匹配）。（2）在原理圖設(shè)計窗口中執(zhí)行菜單命令【Insert】-【Template】，打開“Insert Template”對話框，選擇“S-Params”，單擊【OK】按鈕，在原理圖中插入S參數(shù)仿真模塊。（3）用鼠標(biāo)左鍵雙擊器件“Msub”，如下圖所示，設(shè)置微帶基本參數(shù)。?（4）用鼠標(biāo)左鍵雙擊元器件“DA-SSMatch1-MLINSMatching”,設(shè)置中心頻率為F=

25、1.5GHz，輸入阻抗 （與源阻抗 共軛匹配），負(fù)載阻抗 。（5）設(shè)置Term1阻抗為 ，Term2阻抗為 。這里Term1為源阻抗， Term2為負(fù)載阻抗。再將S參數(shù)的掃描范圍設(shè)置為1-2GHz，步長為0.001GHz，設(shè)置完參數(shù)的原理圖下圖所示。Ohmjzin40*55OhmjzS40*55Ohmjzload50*30OhmjZ40*55OhmjZ50*30（6）在原理圖設(shè)計窗口中，執(zhí)行菜單命令【DesignGuide】-【Circuit】，彈出“Passive Circuit”對話框，然后雙擊“Microstrip Control Window ”項(xiàng)，打開“Passive Circuit

26、 DesignGuide”對話框，如下圖所示。（7）在“SmartComponent”下拉列表中選擇“DA-SSMatch”,單擊【Design】按鈕，等待“Design Progress”為100%后，關(guān)閉此窗口回到原理圖。（8）在原理圖設(shè)計窗口中，單擊 按鈕，再單擊原理圖設(shè)計窗口中的“SSMtch”元器件，可以查看自動生成的匹配網(wǎng)絡(luò)的子電路，如下圖所示。（9）然后，單擊 按鈕回到上層原理圖中。（10）接下來進(jìn)行s參數(shù)的仿真，單擊工具欄中的【Simulation】按鈕，仿真完成后會彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，如下圖所示。從圖中可以看出整個仿真過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了微帶單支節(jié)短接線的匹配。4.微帶線雙枝節(jié)短截線

27、匹配電路仿真微帶線雙枝節(jié)短截線匹配電路仿真雙枝節(jié)短截線比單枝短截線更容易實(shí)現(xiàn)匹配阻抗的調(diào)節(jié)。在一些阻抗可調(diào)的匹配電路中，經(jīng)常采用雙枝短截線匹配電路。設(shè)計目標(biāo)：（如圖所示）假定傳輸線長度為 ， ，令所有傳輸線 的特征阻抗為50Ohm，設(shè)計合適的短截線長度，使 的負(fù)載阻抗與 的輸入阻抗在頻率1GHz時達(dá)到良好的匹配。1.建立工程（1）運(yùn)行ADS,彈出主窗口。（2）執(zhí)行菜單命令【File】-【New Project】，彈出“New Project”對話框。其中，“Name”文本框中為默認(rèn)的工作路徑，在路徑的末尾輸入“MLINDmatching”，如下圖所示。（3）單擊【OK】。81l8332llOh

28、mjzL50*50Ohmzin502.設(shè)計原理圖（1）將原理圖保存為“MLINDMatching”。在原理圖設(shè)計窗口中，執(zhí)行菜單命令【Insert】-【Templation】，打開“Insert Templation ”對話框，選擇“S-Params”再單擊【OK】按鈕，在原理圖中插入S參數(shù)仿真模塊。（2）在原理圖設(shè)計窗口面板列表中選擇“smith chart matching”,在“smith chart matching”面板中單擊smith圓控件 ，完成后的原理圖如下圖所示。 （3）Term1作為源阻抗，阻值為 ；Term2作為負(fù)載阻抗，阻值為將S參數(shù)掃頻范圍設(shè)置成0-2GHz，步長為0.001GHz，設(shè)置完參數(shù)的原理圖如下圖所示。 Ohmzs50OhmjzL50*50（4）在原理圖設(shè)計窗口中，執(zhí)行菜單命令【Tools】-【S