50MHz分立LC匹配網(wǎng)絡設計

燕山大學課程設計說明書題目：50MHz分立LC匹配網(wǎng)絡設計學院（系）理學院年級專業(yè)：10級電子信息科學與技術學號：學生姓名：王春雨指導教師：徐天賦郭得峰教師職稱：講師講師

燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：理學院基層教學單位：10電子信息科學與技術學號學生姓名王春雨專業(yè)（班級）10微波技術設計題目分立LC阻抗匹配網(wǎng)絡ADS設計設計技術參數(shù)設計參數(shù)：分立LC元件；L型阻抗匹配網(wǎng)絡；Zs=25-j*25OhmZl=100-j*15Ohm；頻率50MHz；設計要求電路簡單，有較高的可靠性；有比較理想的S參數(shù)；通過電路的設計，更好地理解匹配的原理；熟悉運用多種方式實現(xiàn)匹配；匹配實驗具有可重復性。工作量兩天選題；七天實驗操作；兩天完成實驗論文的書寫；一天進行檢查和修飾；工作計劃2013/10/22----2013/10/232013/10/24----2013/10/302013/10/31----2013/11/112013/11/11——2013/11/20實驗選題實驗操作實驗論文論文檢查和修飾參考資料[1]（美）波扎.微波工程2010.⑵馮新宇,車向前，穆秀春.ADS2009射頻電路設計與仿真.電子工業(yè)出版社2010.黃玉蘭.ADS射頻電路設計基礎與典型應用.人民郵電出版社2010.邱光源.電路（第四版）1999.指導教師簽字基層教學單位主任簽字50MHz分立LC匹配網(wǎng)絡設計王春雨理學院10級電子信息科學與技術摘要：本文設計一個中心頻率工作在80MHz，采納分立LC元件的匹配網(wǎng)絡。源阻抗Zs=25-j*25Ohm負載阻抗Zl=100-j*15Ohm，由于頻率不高，分立器件的計生參數(shù)對整體性能的阻礙能夠忽略不計。負載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時在負載阻抗上能夠取得最大功率，這種匹配條件稱為共軛匹配。由于阻抗匹配涉及到功率的傳輸，因此阻抗匹配在高頻電路中很經(jīng)常使用，也很重要。關鍵字：分立LC元件；阻抗匹配；高頻電路；功率傳輸ADSdiscreteLCimpedancematchingnetworkdesignChunyuWangElectronicInformationScienceandTechnologyClassOne，CollegeofScienceAbstract:Thisdesignoperatesatacenterfrequencyof80MHz,usingdiscreteLCmatchingnetworkcomponents.SourceimpedanceZs=25-j*25OhmloadimpedanceZl=100-j*15Ohm,sincethefrequencyisnothigh,discretedevicesIPPFparametersimpactontheoverallperformanceisnegligible.Loadthesourceimpedanceisequaltotheconjugatevalueoftheinternalimpedance,thatis,theyareequalandthemodulusandargumentofzero.Thenintheloadimpedancecanbeobtainedonthemaximumpower,thismatchingconditioniscalledconjugatematch.Sincetheimpedancematchinginvolvesthetransmissionofpower,sothatimpedancematchingiscommonlyusedinhigh-frequencycircuits,isalsoimportant.Keywords:discreteLC;Impedancematching;high-frequencycircuits;PowerTransmission一原理阻抗匹配(Impedancematching)。等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角別離相等，這時在負載阻抗上能夠取得無失真的電壓傳輸；負載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零，這時在負載阻抗上能夠取得最大功率，這種匹配條件稱為共軛匹配。本文只涉及到共軛匹配。關于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在低頻純電阻電路中，當負載電阻等于鼓勵源內(nèi)阻時，那么輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)就可稱為匹配，在高頻電路中，需要阻抗變換，使源和負載阻抗共軛，才能達到阻抗匹配狀態(tài)?，F(xiàn)在，阻抗匹配在高頻電路和遠距離輸電線路中是一個重要課題。阻抗匹配是微波電子學里的一部份，要緊用于傳輸線上，來達到所有高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的，可不能有信號反射回來源點，從而提升能源效益。匹配網(wǎng)絡的作用是把rout匹配到rin*。阻抗匹配直接阻礙到功率傳輸是效率，假設匹配到不到要求，不僅達不到所需的功率，而且可能會燒毀信號源或信號線。史密斯圖表上。電容或與負載串聯(lián)起來，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數(shù)電阻的圓圈走動。阻抗性能直接阻礙著整個電路的性能，在源給定的情形下，輸出功率取決于負載電阻與信號源內(nèi)阻之比3，當二者相等，即K=1時，輸出功率最大。阻抗匹配的概念能夠推行到路，當負載阻抗與信號源阻抗共軛時，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸，若是負載阻抗不知足共軛匹配的條件，就要在負載和信號源之間加一個阻抗變換網(wǎng)絡，將變換為信號源阻抗的共軛，實現(xiàn)阻抗匹配。一樣來講，阻抗匹配分為兩類：一種是通過改變阻抗力(lumped-circuitmatching)，另一種那么是調(diào)整傳輸線的波長(transmissionlinematching)o一、改變阻抗力要匹配一組線路，第一把負載點的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化，然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。把電容或電感與負載串聯(lián)起來，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數(shù)電阻的圓圈走動。若是把電容或電感接地(即并聯(lián)電容或電感)，第一圖表上的點會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重復以上方式直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變成零完成匹配。二、調(diào)整傳輸線由負載點至來源點加長傳輸線，在圖-1所示SmithChart上的點會沿著圖中心以順時針方向走動，直至走到電阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零，完成匹配。

圖-1Smith匹配圓圖阻抗匹配那么傳輸功率大，關于一個電源來講，當它的內(nèi)阻等于負載時，輸出功率最大，現(xiàn)在阻抗匹配。，若是是高頻的話，確實是無反射波。關于一般的寬頻放大器，輸出阻抗50Q，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是若是信號波久遠遠大于電纜長度，即纜長能夠忽略的話，就不必考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負載阻抗要和傳輸線的特點阻抗相等，現(xiàn)在的傳輸可不能產(chǎn)生反射，這說明所有能量都被負載吸收了。反之那么在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時，為了避免信號的反射，要求是線路的阻抗為50。這是個大約的數(shù)字，一樣規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆,對絞線那么為100歐姆，只是取個整罷了，為了匹配方便。天線的阻抗也是天線的一個重要參數(shù)，天線的阻抗特性直接阻礙著天線的回波損耗的天線的帶寬。匹配網(wǎng)絡的回波損耗越小，說明反射的能量越小。一樣要求在所需要的頻帶內(nèi)S11達到-10dB以下，也確實是回波損耗在10dB以上?？墒顷P于一些特殊的場合，需要設計匹配網(wǎng)絡的回波損耗達到15dB以上?；夭〒p耗概念為RL=-20log%(1)S=…(2)11氣+Z0式中，孔是匹配網(wǎng)絡的輸入阻抗；Z0是特性阻抗，通常特性阻抗為50Ohm或75Ohm。什么是阻抗呢？阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個阻字是相同的，而另一個抗字呢？簡單地說，阻抗確實是電阻加電抗，因此才叫阻抗；通俗一點地說，阻抗確實是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小不同罷了。電阻小的物質(zhì)稱作良導體，電阻專門大的物質(zhì)稱作非導體，而最近在高科技領域中稱的超導體，那么是一種電阻值幾近于零的東西?？墒窃诮涣麟姷念I域中那么除電阻會阻礙電流之外，電容及電感也會阻礙電流的流動，這種作用就稱之為電抗，意即抗擊電流的作用。電容及電感的電抗別離稱作電容抗及電感抗，簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小那么和交流電的有關系，頻率愈高那么容抗愈小感抗愈大，頻率愈低那么容抗愈大而感抗愈小。另外電容抗和電感抗還有相位角度的問題，具有向量上的關系式，因此才會說：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。電抗在交流電路中的作用，不單單是改變電流的大小，而且改變電壓和電流的相位差。例如，純對抗電路，電抗值用復數(shù)表示，實部為0，為純虛數(shù)，求得的電流也是純虛數(shù)，純虛數(shù)代表什么呢？不代表電流是虛的，或是沒有電流，而代表電流的相位和電壓的相位相差90度，以電壓為參考零相位。如此，咱們就更易明白得了虛數(shù)的概念。用復數(shù)代表電流，不僅表征了電流的大小，而且表征了電流相關于電壓的相位關系。什么是特種阻抗呢？特性阻抗：又稱“特點阻抗”，它不是直流電阻，屬于長線傳輸中的概念。在高頻范圍內(nèi)，信號傳輸進程中，信號沿抵達的地址，信號線和參考平面(電源或地平面)間由于電場的成立，會產(chǎn)生一個剎時電流，若是傳輸線是各向同性的，那么只要信號在傳輸，就始終存在一個電流I，而若是信號的輸出電平為V，在信號傳輸進程中，傳輸線就會等效成一個電阻，大小為V/I,把那個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。信號在傳輸?shù)倪M程中，若是傳輸途徑上的特性阻抗發(fā)生轉(zhuǎn)變，信號就會在阻抗不持續(xù)的結(jié)點產(chǎn)生反射。阻礙特性阻抗的因素有：介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線寬、銅箔厚度。二操作步驟和仿真結(jié)果以下將設計一個中心頻率工作在50M，分立LC元件搭接的阻抗匹配網(wǎng)絡。信號源的阻抗Zs=25-j*25Ohm，負載阻抗Zl=100-j*15Ohm。采納分立元件進行匹配，有利于咱們更透徹深切地明白得匹配原理，也有利于咱們更透徹地明白得特點阻抗的含義。具體操作步驟如下：一、新建ADS原理圖文件新建一個Workspace，在技術選擇界面如圖-2選擇單位為millimeter。在Workspace中新建一個Cell文件，在Cell文件中新建原理圖文件。哩NewWorkspaceWizardChoaie期fsrthenewlibraryforthis;StandardADSLayers,0.0001milllayoutresolutionStandardADSLayers0.0001mrlllrmeterlayoutresolutionStardardADSLayers,0.001micronlayoutresolutionCustom[OpensTechnologydialog]圖-2ADS技術選擇界面二、設置S參數(shù)仿真操縱器本設計頂用到S參數(shù)仿真操縱器，因此需要插入如圖3所示Sparameterso選擇S_Prama操縱面板后，在原理圖中插入兩個端口，兩個土和S仿真主控器，插入發(fā)S參數(shù)仿真操縱器如圖4所示：

p:Lunped-ComporientsLunped-WjthArtworkSdiltcse-Controllad.3oui-csE-FrfinSdutcp:Lunped-ComporientsLunped-WjthArtworkSdiltcse-Controllad.3oui-csE-FrfinSdutcae-Nad,□Squi-cae-Nadulfl.1ad-IEP—Bd.SDurcsE-JraieSaiu-aqs~7idtieDomaitlSinijlati■:>r-IiCSinijlitiori~ACSinulatii>x(rSF-iron■Sinijliti■:-ri-}￡E；■Sinijlati■:>n-IS3FSinijlation-IDE5inulati■:-rirliiwtloi'已[SiniiL-itiort-JrajisientEiniiLati■:'rirEatchSinulation-LoadFull-r-SHORTIMUTIMDLufired-ConipciiLen-l.3Nun>1Z=5J0tnSS^RAWEIERSPRL|PRLCSTtra-StirtnOGHi.^cp-IHC網(wǎng)Sup.勺GH4tssci_^3、設置端口阻抗雙擊Term端口，彈出設置對話框，別離把Terml設置成Z=25-j*25Ohm,Term2設置成Z=100-j*15Ohm。那個地址，Terml作為源，Term2作為負載；雙擊S參數(shù)仿真主控器，設置仿真起始頻率、終止頻率和步進，如圖-5所示：Ternr■■■■ferm4Ternr■■■■ferm4.Nlum=4..Z=(100-i*15}OhmNum=3.Z=(25-j*25}Ohm/S-PARAMETERSS_ParamSP2StartsQGHjStop=01GHzStep=.DOWGHz圖-5修改輸入輸出端阻圖4、添加Smithchartmatching食，在元器件面板列表當選擇“SmithChartMatching”，單擊圖標，在原理圖里添加“DA_SmithChartMatching”控件，如圖-6所示：

TermTemnlNum=1Z-(25-j*25)OhmDA_STermTemnlNum=1Z-(25-j*25)OhmDA_SmithCharttlatQh1_fenlipi.pe\2DA_5mithChartMatGh1TermTerm2Num=2■S_P?ramSP1...St3r>0GHz..Stop=01GHzStep=t)010GHz圖-6插入Smithchart控件5、5、DA_SmithChartMatching控件如圖-7所示:SelectParameterFp=50MHz-如圖-7所示:SelectParameterFp=50MHz-S-o-urceType=ComplexImpedanceS-o-urceEnable=TrueFRg=50OhmLg=1nHCg=LpFZg=(25-j*25]ChmS-o-urceFile="ZSource.snp'1So-urceFiIeSparm=''S(11]*■EquationIditor...Tune/Opt/Stat/DOESetup...Dizplaypar：=unetercmschefniticCiTTipiTientL>ptiqil^...雙擊DA_SmithChartMatching控件，設置控件的相關參數(shù)，Z.v--SmithChartMatchingNetworksM7L1brib:DA_SmiIhChartMatchl_EsrilLpipeiInstanceHmme(name[start：ztop)DA._SmitliChartMa.tchiFp:MatchFrequencyOKC==LTLcelTiesetHelp在圖-7里，關鍵的設置有，F(xiàn)p=50MHz,SourceType=ComplexImpedence,Sourceenable=True,源阻抗Zg=(25-j*25)Ohm,負載阻抗Zl=(100-j*15)Ohm,其他參數(shù)選用默許值。在本實例里，匹配網(wǎng)絡的作用是把rout匹配到rin*，也確實是把負載阻抗Zl=(100-j*15)Ohm匹配到源阻抗的共軛Zg*=(25-j*25)Ohm。匹配網(wǎng)絡框圖6、利用SmithChart工具在原理圖設計窗口中，執(zhí)行菜單命令【Tool】一【SmithChart】，彈出“SmartComponentSync"對話框，選擇“UpdateSmartComponentfromsmithChartUility"選項后，單擊【OK】按鈕，“彈出SmithChartUility”對話框，如圖-9所示。UpdateSmartComponentfromsmithChartUility的作用是smithChartUility參數(shù)更新時，SmartComponent控件參數(shù)也更新，即在SmithChart原圖窗口進行的操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會更新到SmartComponent控件。SmithChartUility參數(shù)設置需要設置Frequent和Z0，那個地址需要設置Freq=，Z0=50Ohm。單擊【Dfine

Source/LoadNetworkTermination】按鈕，彈出“NetworkTermination”對話框，圖-10所示：圖-9"SmithChartUility”對話框在圖-10中，需要把“EnableSourceTermination”和“EnableLoadTermination”的選項勾選上，他們是為了配合DA_SmithChartMatching控件對話框的“SmithChartMatchingNetwork”對話框"SourceEnable=True”和“LoadEnable=True”，如此在DA_SmithChartMatching控件對話框里面設置的源和負載阻抗直接導入“NetworkTermination”對話框。設置完成后依次單擊【Apply】和【OK】按鈕，能夠看到（小圓標記）和負載（方形標記）阻抗點都顯示在Smith原圖上了，如圖-11所示：圖-11加入源和負載阻抗的SmithChartMatching八、手動匹配進程單擊*（并聯(lián)電阻）后，將鼠標放在圓圖上，能夠看到匹配的軌跡，然后再單擊二j（串聯(lián)電容），負載的阻抗即匹配到了源阻抗的共軛。匹配軌跡圖如圖-12所示：能夠查看匹配電單擊【BuildADSCircuit】按鈕，即可生成相應的電路。單擊路，如圖-13所示：能夠查看匹配電*：SfFrthChartUtiriypicidrt堊z￡>rdwHrp-二詢g圈密囂A；眺不xFr”l：m：!ZU([OnijflK5=1[V'JttvwJiieE[E■Tapicidrt堊z￡>rdwHrp-二詢g圈密囂A；眺不xFr”l：m：!ZU([OnijflK5=1[V'JttvwJiieE[E■TaLXiiTSt:汩EmuSr歸J頌HbGtiUiMiirljLI：爪4場第-1I^Ejm5turuiJL?fedHiLi?rkTanjjllLjicu...丁一.Vl—1=DiliLaEil^EtidCnjcuxtF3iADi_EkiLI.l..YbLm：BcuL-1USCltoji.L|AsLp2-￡luuitIlSch1<“L圖-12匹配進程Paranneter5="#50MHz#B#1#5Q0hm#1十.P1.-Num-1■OL1L=S2.025389nFft=le-1'2Ohm_?qr，~v^-OP2Nurn=2單擊’按鈕，進行仿真，結(jié)果如圖-14所示:-6.87.0-ReverseTransmission,dB■6.0■6.2-■B.4--6.6-6.87.0-ReverseTransmission,dB■6.0■6.2-■B.4--6.6-T.i'iiiiii0K2D304Q50007C8090100腌q：MHz圖-14仿真S參數(shù)結(jié)果從圖中能夠看出，S11和S12曲線趨勢知足要求，可是S12曲線的峰值只有，不能知足工程需要。從SmithChart圓圖上面看，盡管負載阻抗匹配到了源阻抗的共軛，可是不能知足工程需求。10、采納第二種匹配方式單擊?。ú⒙?lián)電容）后，將鼠標放在圓圖上，能夠看到匹配的軌跡，然后再單擊、（串聯(lián)電容），負載的阻抗即匹配到了源阻抗的共軛。匹配軌跡圖如圖-15所示。單擊【BuildADSCircuit】按鈕，即可生成相應的電路。單擊?能夠查看匹配電路，如圖-16所示：

圖15匹配進程P1Num圖15匹配進程P1Num=1<z>-L1L=217.433458nHR=ie-12Ohm__.P2'Num=2C01C二50852754pF單擊按鈕，進行仿真，結(jié)果如圖-17所示:■-：fisq.MFzK」kJo?)CDp*峋MHz:■-：fisq.MFzK」kJo?)CDp*峋MHz:圖-14仿真S參數(shù)結(jié)果從圖中能夠地看出，反射系數(shù)和傳輸系數(shù)在59MHz頻率處都很理想。匹配也能夠采納并聯(lián)短路電感串聯(lián)電容的方式，如圖a所示：

圖a并聯(lián)短路電感串聯(lián)電容的方式匹配途徑■p1cTOC\o"1-5"\h\zNum=1C1C=167.638766pF.t)I_TY一~~)■■P2■'jl?Num=25L