50MHz分立LC匹配网络设计.doc

1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 50MHz 分立 LC 匹配网络设计学院（系） 理学院 年级专业： 10 级电子信息科学与技术 学 号： 100108040019 学生姓名： 王春雨 指导教师： 徐天赋 郭得峰 教师职称： 讲师 讲师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 理学院 基层教学单位： 10 电子信息科学与技术 学 号 100108040019 学生姓名 王春雨 专业（班级） 10 微波技术设计题目 分立 LC 阻抗匹配网络 ADS 设计设计技术参数设计参数：分立 LC 元件；L 型阻抗匹配网络；Zs=25-j*25Ohm Zl=100-j*15Ohm；频率 50MHz

2、；设计要求电路简单，有较高的可靠性；有比较理想的 S 参数；通过电路的设计，更好地理解匹配的原理；熟悉运用多种方式实现匹配；匹配实验具有可重复性。工作量两天选题；七天实验操作；两天完成实验论文的书写；一天进行检查和修饰；工作计划2013/10/22-2013/10/23 实验选题2013/10/24-2013/10/30 实验操作2013/10/31-2013/11/11 实验论文2013/11/112013/11/20 论文检查和修饰参考资料1(美)波扎.微波工程 2010.2冯新宇,车向前,穆秀春.ADS2009 射频电路设计与仿真.电子工业出版社 2010.3黄玉兰.ADS 射频电路设计

3、基础与典型应用.人民邮电出版社 2010.4邱光源.电路（第四版） 1999.指导教师签字 基层教学单位主任签字年 月 日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 3 页 共 21 页50MHz 分立 LC 匹配网络设计王春雨理学院 10 级电子信息科学与技术摘要：本文设计一个中心频率工作在 80MHz，采用分立 LC 元件的匹配网络。源阻抗Zs=25-j*25Ohm 负载阻抗 Zl=100-j*15Ohm，由于频率不高，分立器件的计生参数对整体性能的影响可以忽略不计。负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。这时在负载阻抗上可以得到最大功率，这种匹配条件称为共轭匹配

4、。由于阻抗匹配涉及到功率的传输，所以阻抗匹配在高频电路中很常用，也很重要。关键字：分立 LC 元件；阻抗匹配；高频电路；功率传输ADS discrete LC impedance matching network designChunyu WangElectronic Information Science and Technology Class One，College of ScienceAbstract:This design operates at a center frequency of 80MHz, using discrete LC matching network compo

5、nents. Source impedance Zs = 25-j * 25Ohm load impedance Zl = 100-j * 15Ohm, since the frequency is not high, discrete devices IPPF parameters impact on the overall performance is negligible. Load the source impedance is equal to the conjugate value of the internal impedance, that is, they are equal

6、 and the modulus and argument of zero. Then in the load impedance can be obtained on the maximum power, this matching condition is called conjugate match. Since the impedance matching involves the transmission of power, so that impedance matching is commonly used in high-frequency circuits, is also

7、important.Key words: discrete LC ;Impedance matching ;high-frequency circuits ;Power Transmission一 原理阻抗匹配（Impedance matching）。负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输；负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零，这时在负载阻抗上可以得到最大功率,这种匹配条件称为共轭匹配。本文只涉及到共轭匹配。对于不同特性燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 4 页 共 21 页的电路，匹配条件是不一样的。在低频

8、纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态就可称为匹配，在高频电路中，需要阻抗变换，使源和负载阻抗共轭，才能达到阻抗匹配状态。如今，阻抗匹配在高频电路和远距离输电线路中是一个重要课题。阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。匹配网络的作用是把 out 匹配到 in*。阻抗匹配直接影响到功率传输是效率，若匹配到不到要求，不仅达不到所需的功率，而且可能会烧毁信号源或信号线。史密斯图表上。电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿着代表实数电阻的

9、圆圈走动。阻抗性能直接影响着整个电路的性能，在信号源给定的情况下，输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比 K，当两者相等，即 K=1 时，输出功率最大。阻抗匹配的概念可以推广到交流电路，当负载阻抗与信号源阻抗共轭时，能够实现功率的最大传输，如果负载阻抗不满足共轭匹配的条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络，将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭，实现阻抗匹配。一般来说，阻抗匹配分为两类：一种是通过改变阻抗力（lumped-circuit matching ），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching）。1、改变阻抗力要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值

10、，除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。如果把电容或电感接地（即并联电容或电感），首先图表上的点会以图中心旋转 180 度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转 180 度。重复以上方法直至电阻值变成 1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。2、调整传输线由负载点至来源点加长传输线，在图-1 所示 Smith Chart 上的点会沿著图中心以顺时针方向走动，直至走到电阻值为 1 的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配。燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 5 页

11、 共 21 页图-1 Smith 匹配圆图阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，当它的内阻等于负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。最大功率传输定理，如果是高频的话，就是无反射波。对于普通的宽频放大器，输出阻抗 50，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是如果信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就无须考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等，此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了。反之则在传输中有能量损失。高速 PCB 布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为 50 欧姆。这是个大约的数字，一般规定同轴电缆基带 50 欧姆，频带

12、 75 欧姆,对绞线则为 100 欧姆,只是取个整而已，为了匹配方便。天线的阻抗也是天线的一个重要参数，天线的阻抗特性直接影响着天线的回波损耗的天线的带宽。 匹配网络的回波损耗越小，说明反射的能量越小。一般要求在所需要的频带内 S11 达到-10dB 以下，也就是回波损耗在 10dB 以上。但是对于一些特殊的场合，需要设计匹配网络的回波损耗达到 15dB 以上。回波损耗定义为燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 6 页 共 21 页（1）1log20SRL（2）01ZSin式中， 是匹配网络的输入阻抗； 是特性阻抗，通常特性阻抗为 50Ohm 或inZ075Ohm。什么是阻抗呢？阻抗从

13、字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗字呢？简单地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；通俗一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体，电阻很大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导体，则是一种电阻值几近于零的东西。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小则和

14、交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。电抗在交流电路中的作用，不仅仅是改变电流的大小，而且改变电压和电流的相位差。例如，纯对抗电路，电抗值用复数表示，实部为 0，为纯虚数，求得的电流也是纯虚数，纯虚数代表什么呢？不代表电流是虚的，或者是没有电流，而代表电流的相位和电压的相位相差 90 度，以电压为参考零相位。这样，我们就更容易理解了虚数的概念。用复数代表电流，不仅表征了电流的大小，而且表征了电流相对于电压的相位关系。什么是特种阻抗呢？特性阻抗：又称“ 特征

15、阻抗 ”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流 I，而如果信号的输出电平为 V，在信号燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 7 页 共 21 页传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为 V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗 Z。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。二 操作步骤和仿真结果

16、以下将设计一个中心频率工作在 50M，分立 LC 元件搭接的阻抗匹配网络。信号源的阻抗 Zs=25-j*25Ohm，负载阻抗 Zl=100-j*15Ohm。采用分立元件进行匹配，有益于我们更透彻深入地理解匹配原理，也有益于我们更透彻地理解特征阻抗的含义。具体操作步骤如下：1、新建 ADS 原理图文件新建一个 Workspace，在技术选择界面如图-2 选择单位为 millimeter。在Workspace 中新建一个 Cell 文件，在 Cell 文件中新建原理图文件。图-2 ADS 技术选择界面2、设置 S 参数仿真控制器本设计中用到 S 参数仿真控制器，因此需要插入如图 3 所示 S pa

17、rameters。选择 S_Prama 控制面板后，在原理图中插入两个端口，两个 和 S 仿真主控器，插入发 S 参数仿真控制器如图 4 所示:燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 8 页 共 21 页图-3 S 参数仿真控制器 图-4 S 参数仿真控制器面板3、设置端口阻抗双击 Term 端口，弹出设置对话框，分别把 Term1 设置成 Z=25-j*25Ohm，Term2 设置成 Z=100-j*15Ohm。这里，Term1 作为源，Term2 作为负载；双击 S 参数仿真主控器，设置仿真起始频率、终止频率和步进，如图-5 所示：图-5 修改输入输出端阻图4、添加 Smith ch

18、art matching在元器件面板列表中选择“Smith Chart Matching”，单击 图标，在原理图里添加“DA_SmithChartMatching ”控件，如图-6 所示：燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 9 页 共 21 页图-6 插入 Smith chart 控件5、设置 DA_SmithChartMatching 控件双击 DA_SmithChartMatching 控件，设置控件的相关参数，如图-7 所示：图-7 DA_SmithChartMatching 控件设置对话框燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 10 页 共 21 页在图-7 里，关键的

19、设置有，Fp=50MHz，SourceType=Complex Impedence， Sourceenable=True，源阻抗 Zg=（25-j*25 ）Ohm，负载阻抗 Zl=（100-j*15）Ohm，其他参数选用默认值。在本实例里，匹配网络的作用是把 out 匹配到 in*，也就是把负载阻抗Zl=（100-j*15）Ohm 匹配到源阻抗的共轭 Zg*=（25-j*25）Ohm。匹配网络的框图如图-8 所示：匹配网络框图6、使用 Smith Chart 工具在原理图设计窗口中，执行菜单命令【Tool】【Smith Chart】，弹出“SmartComponent Sync”对话框，选择“Update SmartComponent from smith Chart Uility”选项后，单击【OK 】按钮，“弹出 Smith Chart Uility”对话框，如图-9 所示。 Update SmartComponent from smith Chart Uility 的作用是 smith Chart Uility 参数更新时， Smart Component 控件参数也更新，即在 Smith Chart 原图窗口进行的操作产生的数据会更新到 Smart Component 控件。7Smith Chart Uility 参数设置