阻抗变换器设计

射频电路设计实训报告
设计题目阻抗变换器设计
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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。

阻抗变换器就是起到将压电传感器的高阻抗变换为信号放大处理部分需要的低阻抗。

本设计是关于阻抗匹配和阻抗转换器的一些阻抗匹配电路以及阻抗匹配的方法，用以实现匹配以及50Ω到75Ω以及75Ω到50Ω的阻抗转换器。

从而得到所需要的输出阻抗以达到变换的目的。

本次实验以2个无源阻抗匹配器为例，分别采用简单的电容电感的方式设计所需要的阻抗转换器，制作出实物并进行测试。

Abstract: One of the main RF design is a part of the circuit and the other part of the match between the two parts to achieve maximum power transfer, which requires adding the RF circuit impedance converter to achieve impedance matching purposes. Impedance transformer is played to a high impedance piezoelectric sensor signal amplification process is transformed into some of the needs of low impedance. This design is about impedance matching and impedance converter circuit and impedance matching impedance matching some of the methods used to achieve matching and 50Ω to 75Ω and 75Ω to 50Ω impedance converter. In order to get the required output impedance of achieving the purpose of transformation. The experiment with two passive impedance matching device, for example, capacitance and inductance, respectively, a simple way to design the required impedance converter to produce a physical and tested. 关键词： 射频设计 阻抗变换器 阻抗匹配 无源
一、基本阻抗匹配理论
当负载阻抗与传输线特性阻抗不相等或连接两段特性阻抗不同的传输线时，由于阻抗不匹配会产生反射现象，从而导致传输系统的功率容量和传输效率下降，负载不能获得最大功率。

为了消除这种不良反射现象，可在其间接入阻抗变换器，以获得良好的匹配。

由图2－1（a ）可知，当R L =R S 时可得最大输出功率，称此状况为匹配状态。

图（a ） 输入输出功率关系图 图（b ） 广义阻抗匹配
此时：2
2
2
()
S out L L S L V P I R R R R =⋅=⋅+ L S R k R =⋅ 22
(1)
S S in S L S V V P R R R k ==
++ ⇒ 1o u t i n k P P k =⋅+ 推而广之，如图2－1（b ）所示，当输入阻抗Z S 与负载阻抗Z L 互为共轭，即Z S =Z L *
时，形成广义阻抗匹配。

因此，阻抗匹配电路亦可称为阻抗变换器。

根据使用元件及工作频率高低，阻抗变换器的设计方法大致可分为无源元件型和传输线型两种。

这里仅就无源元件型的设计进行说明。

无源元件型电路是利用电感及电容来设计的。

根据工作频宽的大小，基本上可分为L 型、T 型和π型三种。

二、设计实例：
（一）设计一个工作中心频率为10 MHz ，带宽400KHz 的50Ω到75Ω的T 型阻抗变换器（R S =50Ω, R L =75Ω）。

1 . 步骤：
步骤一：确定各参数 f 0＝10MHz ，负载Q ＝10M/400K=25， R S =50Ω， R L =75Ω。

步骤二：计算假想电阻R 。

∵R min ＝Min （R S ，R L ）＝50Ω，∴ R =R min (1+Q 2
)=31300
步骤三：∵R S <R L ，∴按照图1-1所示，计算出X S1、X P1、X P2和X S2。

741.4312=-=
L
R R
Q 20.404 43
1=⋅=S S R Q X 1250 571.43751==Q
R
X P 1252 858
.87522
2==
Q R
X P 1534.013 .874822=⋅=Q R X L S 1530.3
Vs
Rs Xs 1Xs
2
R Rs
R L
图2－3（a) T型匹配电路Xp 1Xp 2
R L
Pout
图 1-1
步骤四：选用图1-2所示电路。

电感和电容值如下：
20uH ，
12.7pF
24uH ，
10.4pF
图1-2
2 .仿真及结果：
采用multisim11.0进行仿真，使用到函数信号发生器和波特仪，电源（信号发生器）接50欧电阻作为内阻，负载75欧电阻，中间为T型阻抗匹配网络，仿真截图如下：
在9.507MHz，增益为-11.69dB，2边增益减小，符合设计中心频率10MHz的标准。

3 . PCB截图：
4.原件列表：
电容： 12.7pF 一个 10.4pF 一个(其中一个可以用可变电容代替) 电感： 20uH 一个 24uH 一个
（二）设计一个工作中心频率为166.67KHz ，频宽6.67KHz 的75Ω到50Ω的π型阻抗变换器（R S =75Ω, R L =50Ω）。

1 . 步骤：
步骤一：确定各参数 f 0＝166.67KHz ，负载Q ＝166.67/6.67=25， R S =75Ω， R L =50Ω。

步骤二：计算假想电阻R 。

∵max (,)200S L R MAX R R ==Ω
75Ω ， ∴ max
2
0.0361R R Q
==+ 0.12 步骤三：∵R S >R L ，∴按照图1-3所示，计算出X S1、X P1、X P2和X S2。

1S
P R X Q
=
=3 1S X Q R =⋅=3
2Q =
=20.388， 22
L
P R X Q =
=2.452 22S X R Q =⋅=2.447
Vs
Rs
Xs 1
Xs 2
R
Xp 1
Xp 2
Rs
R L
图2－4（a) 型匹配电路R L
Pout
图 1-3
步骤四：选用图1-4所示电路。

其中电感和电容值如下：
1
10
0.7072S S X L nH f π==2.865uH 1011397.7812P P C pF
f X π==⋅ 0.318uF 220 1.4142S S X L nH f =
= 2.337uH 202
1
198.944
2P P C pF f X π==⋅0.39uF (b)(c)
图2-4
Ls2Cs1
Cs2
Lp2
Lp1
图 1-4
2 . 仿真及结果。

采用multisim11.0进行仿真，使用到函数信号发生器和波特仪，电源（信号发生器）接75欧电阻作为内阻，负载50欧电阻，中间为π型阻抗匹配网络，仿真截图如下：
如图，在165.875KHz 处，增益约为-8.942dB ，2边增益随着减小，符合166.67KHz 中心频率的设计标准。

3 . PCB 截图：
4.测试及结果。

原件列表：
电容： 0.318uF 一个 0.39uF 一个
电感： 2.865uH 一个 2.337uH 一个
三、设计体会：
本次设计经过了实验原理分析、反复的设计、计算元器件选购、PCB布局、焊接、仿真及验证，并最终取得了满意的结果，满足了设计要求并实现了电路功能，从这一点上说此设计是成功的。

然而本设计中也有不足之处，硬件设计不够完善，这是我要在日后继续完善之处。

总之本次设计是一次理论与实践相结合的综合性设计，在我们团队共同努力下，让我收获很多，它不仅让我巩固了所学的专业知识，更重要的是提高了我的应用知识分析问题、解决问题的能力，使我更好的从学习走向工作！
四、参考文献：
[1] 高频电子线路·张肃文，陆兆熊·高等教育出版社·1993年4月第3版
[2] 射频通信电路·陈邦媛·科学出版社·2000年8月第1版
[3] 射频电路设计（第3版）·[美]JOSEPH J.CARR·电子工业出版社·2001年10月第3版。