阻抗变换器的设计与仿真

摘要

射频设计的主要工作之一，就是使电路的某一部分与另一部分相匹配，在这两部分之间实现最大功率传输，这就需要在射频电路中加入阻抗变换器从而达到阻抗匹配的目的。本文介绍了一种中心频率为400MHz、频宽为40MHz的50～75欧姆T型阻抗变换器的设计与仿真过程。文中概述了射频阻抗变换器的种类、用途及发展。在分析了阻抗匹配理论基本知识的基础上，论述了射频阻抗变换器的设计过程，然后通过ADS软件进行设计和仿真,并对仿真结果进行了分析总结。

关键词:射频；阻抗匹配；阻抗圆图；VSWR（电压驻波比）；ADS

目录

摘要 (1)

ABSTRACT................................................ 错误！未定义书签。第一章引言 (2)

1.1 概述 (2)

1.2 射频阻抗变换电路的类型 (2)

1.3 射频阻抗变换器的用途 (2)

1.4射频阻抗变换器设计的发展 (3)

第二章基本原理 (3)

2.1 阻抗匹配 (3)

2.2 史密斯圆图 (4)

2.2.1 等反射圆 (4)

2.2.2 等电阻圆图和等电抗圆图 (5)

2.2.3 Smith圆图（阻抗圆图） (7)

2.3 电压驻波比 (8)

第三章 T型阻抗变换器的设计 (9)

3.1 T型阻抗变换器（R

S

L

）的设计步骤 (9)

3.2 T型阻抗变换器的设计过程 (10)

第四章阻抗变换器电路仿真 (11)

4.1 ADS 软件简介 (11)

4.2 T型阻抗变换器的仿真结果及分析 (11)

第五章总结 (14)

参考文献................................................ 错误！未定义书签。致谢.................................................. 错误！未定义书签。

表目录

图1. 1 T型变换电路 (2)

图1. 2 R s + jX s = R L - jX L时的共轭匹配 (2)

图1. 3 天线与接收端的阻抗匹配 (3)

图2. 1 传输线终端连接不同的Z L在等反射圆图的表示 (5)

图2. 2 等电阻圆图2. 3 等电抗圆 (6)

图2. 4 smith圆图 (8)

图3. 1 T型匹配电路 (9)

图3. 2 T型匹配电路实际电路类型 (10)

图3. 3 T型阻抗变换器电路 (11)

图4. 1 T型阻抗变换器仿真电路 (12)

图4. 2 T型阻抗变换器电路仿真结果 (13)

第一章引言

1.1 概述

在处理RF系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、

LNA/VCO输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。

在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值.

1.2 射频阻抗变换电路的类型

L型电路阻抗匹配：此型电路结构仅用两个电抗性元件提供了阻抗匹配，匹配电路的设计都基于Q因数。

π型变换电路：在L型匹配电路中引入第三个电路元件，即在串联元件的另一个并联电纳，就可以把电路的Q作为一个设计参数，从而为电路设计提供了必要的灵活性。

T型变换电路：T型变换电路如图1.1所示，它是一个双重π型变换电路。然而在这个电路中，串联电抗X1首先把电抗提高到R'，而余下的并联电纳降低电阻。

图1. 1 T型变换电路

其余还有分支电容变换器、并行双调谐变换器（需精确控制宽带时使用）。

1.3 射频阻抗变换器的用途

阻抗变换器是使传输线阻抗和负载阻抗达到匹配，简单说就是使Z0=Z L。可确保传输到最终负载的电磁能量值或功率能达到最大量。要使信号源传送到负载的功率最大，信号源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

在这个条件下，从信号源到负载传输的能量最大。另外，为有效传输功率，满足这个条件可以避免能量从负载反射到信号源，尤其是在诸如视频传输、RF或微波网络的高频应用环境更是如此。阻抗变换器经常应用在天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO输出与混频器输入之间。例如：天线的阻抗匹配就需要在天线与接收端之间加入射频阻抗变换器，电路图如图1.3所示。

图1. 3 天线与接收端的阻抗匹配 阻抗变换器还可应用于内阻抗匹配技术中，例如：管内阻抗匹配问题就需要内阻抗匹配技术，其中就用到了阻抗变换器。

1.4射频阻抗变换器设计的发展

射频阻抗变换器的设计方法由原先的手工计算、史密斯圆图法，发展到了现今使用的计算机软件仿真。原先的手工计算是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长计算公式、并且被处理的数据多为复数。现今的计算机软件仿真使设计更为方便，而且通过其仿真结果可以得到电路的噪声系数、输入输出驻波比、增益及电路的稳定性等指标。射频电路设计的仿真软件也在不断的发展，之前射频电路仿真主要用ANSOFT 、Microwave office 软件进行仿真，现在的主流仿真软件为ADS 仿真软件，此软件在射频电路的仿真分析与设计方面的应用更为方便。

第二章 基本原理

2.1 阻抗匹配

阻抗匹配是电路学里的重要议题，也是射频微波电路的重点。传输线的阻抗匹配通常有以下两种类型：

（1）信号源与传输线之间的阻抗匹配。由于信号源的内阻抗不等于传输线的特性阻抗。因而需要在信号源与传输线之间加入匹配装置。

信号源与传输线的阻抗匹配又有两种情况：

① 信号源的共轭匹配。信号源的共轭匹配是指负载得到最大功率的一种措施，实现

方法是使负载阻抗in Z (即传输线入端的输入阻抗)等于信号源内阻抗的共轭值*g Z ，此时

负载吸收的功率为最大(可以证明g g R E P 8/max )。