实验一匹配电路的设计与仿真
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实验一 匹配电路的设计与仿真
一、实验目的
1、掌握阻抗匹配、共轭匹配的原理
2、掌握集总元件L 型阻抗抗匹配网络的匹配机理
3、掌握并(串)联单支节调配器、λ/4阻抗变换器匹配机理
4、了解ADS 软件的主要功能特点
5、掌握Smith 原图的构成及在阻抗匹配中的应用
6、了解微带线的基本结构
二、实验原理
1、基本阻抗匹配理论
,
信号源的输出功率取决于Us 、Rs 和RL 。在信号源给定的情况下,输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比k 。当RL=Rs 时可获得最大输出功率,此时为阻抗匹配状态。无论负
载电阻大于还是小于信号源内阻,都不可能使负载获得最大功率,且两个电阻值偏差越大,输出功率越小。
2、共轭匹配:
当 ,源输出功率最大,称作共轭匹配。
*g
L Z Z
若,需在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络,将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭。
3、阻抗匹配:
①λ/4阻抗变换器
②并(串)联单支节调配器
调配原理:y(左)=1=y(右)+jb ,y(右)=1-jb
调配过程:
a). yL 于A点
b)等ρ圆顺时针旋转与g=1 的圆交于B点,旋转长度为d(接入点的位置)
c)B点的虚部为jb,并联支节的电纳为-jb,则匹配
d)–jb于E点,则支线电长度为l(短路线)
三、实验内容
1、设计L型阻抗匹配网络,使Zs=(25-j*25) Ohm信号源与ZL=(100-j*25) Ohm的负载匹配,频率为500MHz。
2、设计微带单枝节短截线匹配网络,使ZS=(55-j*40) Ohm信号源与ZL=(30+j*50) Ohm 的负载匹配,频中心频率为1.5GHz
四、实验步骤
I、L型匹配网络
1、打开ADS
2、新建一个工程,长度单位选毫米
3、选“No help needed”,然后单击“finish”
4、在元件库列表中选择“Simulating-S Param”,单击 SP和 Term放入两个Term和一个SP控件
5、双击Term1,Term2端口,弹出对话框改变参数
6、双击S-Paraemters控件,弹出对话框改变参数
7、选择元件库“Smith Chart Matching”,单击在原理图中添加“DA_SmithChart Matching”控件,单击工具栏,放置并连接原件
8、双击DA_SmithChartMatching控件,设置相关参数
9、执行菜单命令【Tools】【Smith Chart】,弹出“SmartComponent Syne”对话框,选择“Update SmartComponent from Smith Chart Utility”,单击OK
10、改变Freq,单击“DefineSource/load Network terminations”按钮
11、采用分立元件LC匹配过程如下图
改变L、C位置,观察L、C值变化时输入阻抗变化轨迹
12、单击“Build ADS Circuit”按钮,即可生成相应的电路
13、选中DA_SmithChartMatch控件,单击菜单栏向下的箭头,以查看匹配电路
14、单击向上的箭头,返回到原理图
15、单击图标,进行仿真
16、单击,在结果窗口单击,选中要查看的图形,仿真结果输出
II、微带单支节短截线
1、新建一个工程,长度单位选毫米
2、在元件库列表中选择“Passive Circuit DG-Matching”,放置元件MSUB(微带基片)和SSMATH(微带单支节短截线)
3、执行菜单命令【Insert】【Template】,选择S_ Params,在原理图中加入S参数模块
4、双击MSUB元件,设置参数
5、双击“DA_SSMatch_MLIN_SMatching”控件,设置参数,输入阻抗与源阻抗Zs共轭
6、设置TERM1、TERM2阻抗,S参数扫频方案,完成设计
7、执行菜单命令【DesignGuade】【Passive Circuit】,选择对话框中的Microstrip Control Window,选择Design Assiant Design,100%出现后,Close该对话框
8、选中SSMatch控件,单击菜单栏向下的箭头,以查看匹配电路
9、单击向上的箭头,返回到原理图
10、单击“齿轮”按钮,进行仿真,分析结果
11、匹配电路的版图生成。在工具栏单击“Deactive or Active”控件,然后单击2个“地”、2个“Term”,“SP”控件,使它们失效,就不会出现在所生成的版图中。12、执行菜单命令【Layout】->【Generate/Update Layout】,弹出一个设置对话框,这里应用其默认设置,直接单击OK。
(第5,6步的图)
五、实验结果
I、L型匹配网络
由仿真结果可知在500MHz时反射系数最小,电压传输系数最大,系统性能最好。
II、微带单支节短截线
由仿真结果可知在1.5GHz时反射系数较小,电压传输系数最大,系统性能较好。
六、练习题
1、设计L型阻抗匹配网络,使Zs=(46-j×124) Ohm信号源与ZL=(20+j×100) Ohm的负载匹配,频率为2400MHz.
解:原理图:
匹配电路:
仿真结果如下:
2、设计微带单枝短截线线匹配电路,使MAX2660的输出阻抗ZS=(126-j*459)Ohm与ZL=50Ohm的负载匹配,频率为900MHz.
微带线板材参数:
相对介电常数:2.65,相对磁导率:1.0,导电率:1.0e20,损耗角正切:1e-4
基板厚度:1.5mm,导带金属厚度:0.01mm
解:原理图:
匹配电路:
仿真结果:
版图生成如下:
七、思考题
1、常用的微波/射频EDA仿真软件有哪些?
答:微波/射频领域主要的EDA工具有Agilent公司的ADS软件和Ansoft公司的HFSS、Designer软件, Microwave Office, Ansoft Serenade ,CST等微波/射频电路设计软件,还有Smith圆图软件Winsmith等。