射頻電路設(shè)計(RF-Circuit-design)

RFCircuitDesign:

TheoryandApplication福州大學(xué)通信工程系許志猛TOPIC4Smith圓圖and主要內(nèi)容Smith圓圖阻抗圓圖導(dǎo)納圓圖圓圖的應(yīng)用射頻微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)TOPIC4-1史密斯（Smith）圓圖

Smith圓圖阻抗與反射系數(shù)是傳輸線上兩個重要的電特性參數(shù)。數(shù)學(xué)公式上的聯(lián)系可以簡化為圖解法。史密斯圓圖是將歸一化阻抗（z=r+jx）的復(fù)數(shù)半平面（r>0）變換到反射系數(shù)為1的單位圓（|Γ|=1）內(nèi)。已知一點的阻抗或反射系數(shù),用史密斯圓圖能方便地算出另一點的歸一化阻抗值和對應(yīng)的反射系數(shù)。史密斯圓圖概念清晰,使用方便,廣泛用于阻抗匹配電路的設(shè)計中。隨著近年來電子版圓圖的普及,使得史密斯圓圖得到了大量應(yīng)用。HowSmithchartisgenerated:LetMatchingtherealandimaginarypartsof(1):ConstantRe[ZL]circles:center(r/(r+1),0),radius1/(r+1)ConstantIm[ZL]circles:center(1,1/x),radius1/xSmithChart1史密斯圓圖的產(chǎn)生等電阻圓等電抗圓SmithChart2||Zir+jx-jxrref：SMITH_CHART.mpgConstantRe[ZL]circlesConstantIm[ZL]circlescomplexGplane1-1j-j|G|=1SmithChart3等電阻圓等電抗圓SmithChart4+jx-jxr=0r=1r=0.5r=2r=∞x=-1x=-2x=-0.5x=1x=0.5x=2|Γ|=0.5|Γ|=0.1|Γ|=1設(shè)計工具：

smithchart.mcdSmithChart5阻抗導(dǎo)納圓圖（ZY-圓圖）在許多實際設(shè)計和應(yīng)用中，需要頻繁地從阻抗表達式轉(zhuǎn)換到導(dǎo)納表達式，反之亦然。為了應(yīng)用方便，常將阻抗（Z）圓圖和導(dǎo)納（Y）圓圖疊加成一個組合圓圖稱其為阻抗導(dǎo)納圓圖或ZY-圓圖。阻抗圓圖是大家所熟悉的（如圖示），導(dǎo)納原圖是怎樣呢？SmithChart5-1在阻抗圓圖上給定一個P點，然后將P點沿等圓轉(zhuǎn)過180度（相應(yīng)于傳輸線上的點移λ/4距離），得到Q點。由于P、Q兩點相距λ/4，所以有：即因為導(dǎo)納是阻抗的倒數(shù)，即所以，即Q點的阻抗值就是P點的導(dǎo)納值。*傳輸線重要公式*歸一化SmithChart5-2因此求P點的導(dǎo)納，只需將P點在阻抗圓圖上沿等|Γ|圓轉(zhuǎn)過180度到Q點，讀出Q點的歸一化阻抗即為P點的歸一化導(dǎo)納值。根據(jù)上述特點，如果不轉(zhuǎn)動P點，而是將阻抗圓圖轉(zhuǎn)180度，此時P點的歸一化阻抗讀數(shù)即為P點的歸一化導(dǎo)納值。由此可見，將阻抗圓圖轉(zhuǎn)180度即得導(dǎo)納圓圖，如下圖所示。SmithChart5-3對導(dǎo)納圓圖而言，原先阻抗圓圖的等電阻圓變成等電導(dǎo)圓，等電抗圓變成等電納圓。原先阻抗圓圖中的標(biāo)稱數(shù)字全部不變。值得注意的是：阻抗圓圖轉(zhuǎn)過1800后，縱軸（jV軸）的正向變?yōu)橄蛳隆Ｋ詫?dǎo)納圓圖的下半圓電納為正，上半圓的電納為負。將阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖疊加，得到如下圖所示的ZY-圓圖。SmithChart5-4SmithChart6+jx-jx+jb-jbInductiveCapacitiver=0g=r=g=0Smith圓圖應(yīng)用舉例求反射系數(shù)傳輸線Zo=50Ω，終端接不同負載阻抗短路線開路線ZL=50Ω參見P67例題3.1——〉——〉Smith圓圖應(yīng)用舉例求端接負載傳輸線的輸入阻抗ZL＝(30＋j60)Ω與長為2cm的50Ω傳輸線相連，工作頻率為2GHz，相速度是光速50％，求輸入阻抗。當(dāng)d=2cm，——〉順時針旋轉(zhuǎn)191.99度參見P68例題3.2βd稱為傳輸線的電長度SmithChart7ZsZL設(shè)計工具：winsmith.exeSmithChart8Zo=50Zo=75ZLZs設(shè)計工具：SmithV2.00winsmith.exe與并聯(lián)傳輸線長度有關(guān)圓心SmithChart9

射頻

操1.串電感4.並電容2.串電容5.串傳輸線3.並電感射頻

操設(shè)計工具:winSMITH?winSMITH?是由EaglewareCorporation所開發(fā)的軟件，可向NoblePublishing(NP-5)購買(US$79.00)。設(shè)計工具:SmithV2.0?Smith圓圖應(yīng)用舉例求復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗應(yīng)用ZY圓圖使用圓圖軟件TOPIC4-2射頻/微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)微波網(wǎng)絡(luò)理論在分析低頻基本電路和射頻/微波電路時，可以運用網(wǎng)絡(luò)模型，將網(wǎng)絡(luò)視為一個整體——“黑盒子”低頻電路端口以電壓電流表示，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)參量：Z、Y、H和A參量可以直接推廣到高頻電路領(lǐng)域，但測量不易頻率升高到射頻界限，終端的寄生效應(yīng)不能忽略H參量Y參量Z參量二端口網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)參量A參量各網(wǎng)絡(luò)參量的定義H參量矩陣的物理意義為[Z]參量矩陣的物理意義為散射參量實際射頻系統(tǒng)的特性不能再采用終端開路、短路的測量方法：短路電感開路電容射頻電路端口以反射波和入射波表示，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)參量：散射參量(S參數(shù))鏈形散射矩陣(T參數(shù))散射參量（S參數(shù)）及其定義2-PortNetworka1a2ZLb1b2ZsVgS參數(shù)22122111log20log20log20/log20SORLSIsolationSLossGainSIRL====[b]=[S][a]對一個二端口網(wǎng)絡(luò)：b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2ai、bi分別為輸入、輸出信號的振幅大小。入射光反射光折射光[S]入射波S11(a2=0)S21(a2=0)S11--二端口接匹配負載時，一端口的反射系數(shù)S21--二端口接匹配負載時，一端口到二端口的傳輸系數(shù)玻璃S參數(shù)的意義S11和S22是兩端的反射系數(shù)，S12和S21是兩端之間的傳輸系數(shù)。鏈形散射矩陣(T參數(shù))將S參量的概念推廣到級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，即輸入、輸出端口寫電壓波的關(guān)系：系統(tǒng)級聯(lián)相當(dāng)于兩個T矩陣相乘S參量與T參量的轉(zhuǎn)換見課本P117散射參量的測量T形接頭匹配負載網(wǎng)絡(luò)分析儀入射波傳輸波反射波S11＝S21＝A/RB/R各網(wǎng)絡(luò)參量的應(yīng)用射頻/微波工程中，散射參數(shù)[S]使用最多，因為端口反射系數(shù)概念清晰，容易測量，端口之間的傳輸系數(shù)就是衰減或增益，便于工程使用。網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)時，使用[A]參數(shù)很方便，多個網(wǎng)絡(luò)[A]參數(shù)相乘就是整個網(wǎng)絡(luò)的[A]參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)輸出端交叉連接時，使用[H]參數(shù)很方便，多個網(wǎng)絡(luò)[H]參數(shù)相加就是整個網(wǎng)絡(luò)的[H]參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)交叉連接各網(wǎng)絡(luò)參量的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)串連時，使用[Z]參數(shù)很方便，多個網(wǎng)絡(luò)[Z]參數(shù)相加就是整個網(wǎng)絡(luò)的[Z]參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)連時，使用[Y]參數(shù)很方便，多個網(wǎng)絡(luò)[Y]參數(shù)相加就是整個網(wǎng)絡(luò)的[Y]參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)各參量之間的轉(zhuǎn)換應(yīng)用中有時需要在不同參量之間進行轉(zhuǎn)換，如用[S]表示的網(wǎng)絡(luò)進行級聯(lián)時需要在[S]和[A]之間進行轉(zhuǎn)換，通常是把每個網(wǎng)絡(luò)單元的[S]變?yōu)閇A]，相乘后得到整個網(wǎng)絡(luò)的[A]，再變?yōu)閇S]?？紤]歸一化參數(shù)：[z]＝[Z]/Z0，[y]＝[Y]/Y0a11＝A11，a12＝A12/Z0，a21＝A21/Y0，a22＝A22根據(jù)定義，可以實現(xiàn)不同參量之間的轉(zhuǎn)換