四段式含加载线双带阻抗匹配变换器设计分析

四段式含加载线双带阻抗匹配变换器设计分析我们在设计电路的时候，难免会做一些与射频相关的工作，工作的主要意义和射频设计的核心之一是使电路的一部分与另一部分匹配，以实现两部分之间的最大功率传输。

目的。

在本文中，我们介绍了一种T型阻抗转换器及其设计和仿真，该转换器的中心频率为400MHz，带宽为40MHz，标记阻抗为50至75欧姆。

本文介绍了射频阻抗转换器的开发过程和当前状态，详细介绍了不同种类的变换器的性能与优缺点，用途及发展。

而在介绍阻抗匹配的原理中，我们还穿插了一些关于史密斯圆图的定义，它作为一个分析阻抗匹配最广泛的工具让我们在面对庞大计算量的问题面前不会束手无策。

在分析了微带线阻抗匹配理论的基础知识的基础上，讨论了射频阻抗变换器的整个设计过程，然后通过软件进行设计和构建。

采用ADS软件进行整个设计的构建。

对于仿真软件，我们选择的是HFSS，HFSS软件是一款高效的仿真软件，可以快速帮助我们进行模型仿真，之后我们对仿真结果进行分析和总。

关键词:射频；阻抗匹配；阻抗圆图；VSWR（电压驻波比）；ADS1.1 概述在处理射频系统的实际应用时，您总是会发现非常困难的工作，因为其中之一就是级联电路各部分的不同阻抗的匹配。

通常，需要匹配的电路包括天线与低噪声放大器之间的匹配，功率放大器输出与天线之间的匹配以及LNA / VCO输出与LNA / VCO 输出之间的匹配。

调音台输入。

匹配的目的是确保信号或能量有效地从“信号源”传递到“负载”。

在高频侧，寄生元素对相应的网络具有重大且不可预测的影响。

当频率超过几十兆赫兹时，理论计算和仿真远远不能满足要求，要获得足够的最终结果，还必须考虑并适当地调整实验室RF测试。

通过计算出的值来确定电路结构的类型和相应目标组件的值.1.2阻抗匹配变换器的发展与现状IMPEDANCE变压器是微波组件（例如功率放大器，电源）的基本组件分配器和天线。

最近，随着越来越多的无线通信和无线应用标准出现因此，建议系统和电路在不同的频带上同时工作。

因此，尊重 TI频率阻抗变压器（MFIT）的开发非常担心。

您最近看到了许多MFIT 十年来，大多数研究都包括双频那。

双频阻抗变压器（DFIT）首先使用级联在两个实际阻抗之间实现两条线相互匹配，L形网络 Pi形传输线和网络. 一个更普遍的问题是针对频率相关的复杂负载（FDCL）的DFIT实现。

因此，许多新拓扑和方法。

中三传动线级联以实现DFCL DFIT。

作为选择，传输线的两个部分和并联支路的两个部分串联连接，这具有尺寸大的缺点。

然后提出了一种结构简化，尺寸更紧凑的T形DFIT。

在DFIT中通过使用耦合线可以丰富DC阻止功能。

一两个通用DFIT通过复杂的阻抗传递传输线的四个部分。

以上分配双变频器通常具有两个或多个部分传输线或耦合线，所以长度大。

对称双频偏移线T形或Pi形网络可以直接用作实际阻抗之间的DFIT，并且可以使用通过添加一部分传输为FDCL构造DFIT线和短线或T形双频短线，但电路复杂度高且尺寸大。

图1. MFIT拓扑。

（A）MFIT的一般拓扑。

（B）变频器实施。

（C）MFIT的详细拓扑。

（D）简化的拓扑年MFIT。

1.3 射频阻抗变换电路的类型L型电路阻抗匹配：这种类型的电路结构仅使用两个电抗元件来提供阻抗匹配，并且匹配电路的设计基于Q因子。

π型转换电路：在L型匹配电路中引入第三电路元件，即串联元件中的另一个并联电纳，电路的Q可以用作设计参数，从而为电路设计提供必要的灵活性。

T型转换电路：T型转换电路如图1.1所示，它是一个双π型转换电路。

但是，在该电路中，串联电抗X1首先将增加电抗到R ，而剩余的并联电纳用来减小电阻。

图1.1 T型变换电路其它还包括了分支电容器转换器和双调谐并行转换器（在需要精确的宽带控制时使用）。

1.4 射频阻抗变换器的用途阻抗转换器必须匹配传输线的阻抗和负载阻抗，即Z0 = ZL。

它可以保证最大量的电磁能或功率值传递给最终的负载。

为了使信号源提供给负载的功率最大化，信号源的阻抗必须等于负载的共轭阻抗，即，R s + jX s = R L - jX L图1.2 R s+jX s=R L-jX L时的共轭匹配在这种情况下，负载从信号源接受到的能量最大。

同时，为了有效地传输功率，满足此条件可以避免能量从负载反射到信号源，尤其是在高频应用环境中，例如视频传输，RF或微波网络。

阻抗转换器通常用来匹配天线与低噪声放大器，功率放大器输出与天线之间的匹配，以及LNA / VCO输出与混频器输入之间的匹配。

例如：要实现天线的阻抗匹配，就要在天线和接收端之间增加一个射频阻抗转换器，电路图如图1.3所示。

图1.3 天线与接收端的阻抗匹配阻抗转换器在内部阻抗匹配技术中也有很多应用，例如：管内部阻抗匹配技术需要内部阻抗匹配技术，该技术就使用阻抗转换器。

1.5射频阻抗变换器设计的发展射频阻抗转换器的设计方法是从最初的人工计算和史密斯图方法发展到如今使用的计算机软件仿真。

原始的手动计算是一种极其复杂的方法，因为它需要很长的计算公式，并且有大量的复数数据需要处理。

当今通过计算机软件的仿真，就可使设计更加方便快捷，并且通过仿真结果，电路噪声的值，输入和输出驻波率，增益和电路稳定性以及其他指标都可以轻松得到。

用于射频电路设计的仿真软件也在不断开发中，以前主要使用ANSOFT和Microwave office软件对射频电路进行了仿真，现在主要的仿真软件是ADS仿真软件。

更加方便快捷为了方便。

2 基本原理2.1 阻抗匹配在电路学中，有一个亘古不变的重要议题，就是阻抗匹配。

它也是RF 微波电路的重点。

通常，传输线有两种类型的阻抗匹配：（1）信号源与传输线之间的阻抗匹配。

因为信号源的内部阻抗和传输线的特征阻抗不相等。

因此，添加在信号源和传输线之间匹配设备就显得至关重要。

信号源和传输线之间存在两种阻抗匹配情况。

①信号源的共轭匹配。

信号源的共轭对应关系是指负载获得最大功率的量度，实现方法是使负载阻抗in Z (也就是说，传输线输入端的输入阻抗等于信号源处阻抗的共轭值*g Z 此时负载吸收的功率最高（可以看出）g g R E P 8/max =)。

②信号源的阻抗匹配。

信号源的阻抗匹配是指选择信号源的内部电阻0Z Z g =或0=Γg ，满足0Z Z g =的电源称为匹配源，实用中0Z Z g =的条件难以完全满足，为此通常在信号源后接一隔离器，吸收反射波。

（2）传输线与负载之间的阻抗匹配。

因为负载阻抗不等于传输线的特征阻抗，所以当传输波到达负载时会发生反射。

因此，需要在传输线和负载之间添加匹配装置以消除负载的反射，从而传输线以行波状态工作。

有很多方法可以匹配负载和传输线之间的阻抗。

这种类型的匹配设备的基本要求是，引入的附加损耗应小，频率带宽大，并且能够适应各种负载。

基本匹配设备共有三种常见类型：梯形阻抗转换器，分支匹配设备和指数线路匹配设备。

（3）计算出的设计参数并应用无损电路模型，它们的反射系数如图3所示。

在图2中所示的负载阻抗随工作频率，从图3观察到，两个所需的不相关频率的完美匹配。

此外，在接近DC 频率时的回波损耗接近0 dB ，表明存在明显的DC 阻隔功能。

参考复杂的频率相关阻抗。

负载阻抗将改变。

图4显示了四种电气长度不同时的四个负载阻抗示波器，使用Ω=50S R 。

负载阻抗在第一频率和第二频率处的值分别对应于图4（a ）和4（b ）。

通常，这种建议的变压器的负载阻抗范围相对较大，如图4所示。

通用传输线的一端连接到电源，另一端连接到负载。

负载可以是天线或具有等效阻抗ZL 的任何电路。

传输线阻抗和负载阻抗达到匹配定义，简而言之，Z0 = ZL 。

在阻抗匹配的环境中，负载侧将不会反射无线电波。

也就是说，负载可以完全把电磁能吸收。

因为传输线的主要功能是传输能量并传输电子信号或数字数据，所以阻抗匹配的负载和电路网络将确保传输到最终负载的电磁能量最大。

设计负载电路最是简单的阻抗匹配方法，使其满足ZL = Z0的条件。

不幸的是，这是一个理想的情况。

在设计实践中，负载电路必须首先满足其他必要条件，否则负载电路所需的性能将无法被保障，这通常会影响其与传输线之间的阻抗匹配。

解决方案是在传输线和最终负载之间添加一个阻抗匹配网络。

加入该网络的目的是减少传输线与该网络之间的无线电波反射。

如果阻抗匹配网络是无损的，并且其输入阻抗ZL 等于传输线的特征阻抗Z0，那么能量将能够通过它到达负载端。

2.2 史密斯圆图Smith 圆图是解决传输线和阻抗匹配问题的有效图形工具。

等反射圆等值反射圆是一组半径为0〜1的同心圆。

等值反射圆可用于表示矢量形式的反射数。

传输线的反射系数Γ0的表达式为L j i r L L e j Z Z Z Z θ000000Γ=Γ+Γ=+-=Γ （2-1） 之内 θL =arctan(Γ0i /Γ0r ) 。

图2.1 传输线终端连接不同的Z L 在等反射圆图的表示等电阻圆图和等电抗圆图1.归一化阻抗公式一端连接负载无耗传输线的输入阻抗可表示为ir i r o in j j Z d Z Γ-Γ-Γ+Γ+=11)( (2-2) 式中，Z 0为特性阻抗。

对传输线的特性阻抗进行归一化处理可得ir i r in in j j d d jx r Z Z d Z Γ-Γ-Γ+Γ+=Γ-Γ+=+==11)(1)(1/)(0 (2-3) 式中，Z in 为归一化阻抗。

用分母的复共轭乘以上式的分子和分母，得到2222)1(21ir i i r in j jx r Z Γ+Γ-Γ+Γ-Γ-=+= (2-4) 可分别求得归一化电阻r 和电抗x 的表达式为2222)1(1ir i r r Γ+Γ-Γ-Γ-= (2-5) 22)1(2ir i x Γ+Γ-Γ= (2-6) 重新排列后得222)11()1(+=Γ++-Γr r r i r (2-7) 222)1()1()1(x x i r =-Γ+-Γ (2-8)2.等电阻圆和等电抗圆公式（2-7）和公式（2-8）分别表示直角平面r Γ和i Γ上方的两组圆，等电阻的圆如图2.2所示，等电抗的圆如图2.3所示图2.2 等电阻圆 图2.2 等电抗圆(1) 等电阻圆对于等电阻圆有半径：11+r 圆心：0,1=Γ+=Γi r rr r 的范围是0≤r ＜∞。

当r=0时，圆的中心在原点，半径为1。

当r=1时，圆的中心向正r Γ方向位移1/2单位，半径为1/2。

当r→∞时，圆的中心位移收敛到+1点，圆的半径→0。

(2) 等电抗圆对于等电抗圆 半径：x1 圆心：xi r 1,1=Γ=Γ x 的范围为－∞＜x ＜＋∞,x 可为负（即电容性），也可为正（即电感性）。

所有的圆的中心都在过1+=Γr 点并垂直于实数轴（r Γ）的线（虚线）上。