实验一 匹配电路的设计与仿真

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。

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 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

*g L Z Z

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。

五、实验结果

I、L型匹配网络

（第5,6步的图）

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：，相对磁导率：，导电率：，损耗角正切：1e-4

基板厚度：，导带金属厚度：

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。

2、用ADS软件进行匹配电路设计和仿真的主要步骤有哪些？

答：画出原理图，添加DA_SmithChartMatching”控件，设置相关参数，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，在Smith Chart中并联电感串联电容或并联电容串联电感，改变电容电感的值，直至匹配。单击“Build ADS Circuit”按钮，即可生成相应的电路。在原理图中，选中DA_SmithChartMatch控件，单击菜单栏向下的箭头，以查看匹配电路，单击向上的箭头，返回到原理图。单击“齿轮”图标，进行仿真。

3、给出两种典型微波匹配网络，并简述其工作原理。

答：下图为两种典型微波匹配网络：

对于T型网络，它的输入输出阻抗和传输系数分别为：

其中A11，A12，A21，A22为网络A参数，通过上式可求得：

同时可求得 型网络的电路参数为：

4、画出微带线的结构图，若导带宽度w、εr增大，其特征阻抗Z0如何变化？

答：微带线的结构图如下图。介质微带特性阻抗随着W/h增大而减小；相同尺寸条件下，εr越大，特性阻抗Z0越小。

5、写出实验体会和建议。

通过此次试验了解了阻抗匹配网络的原理，重点学会了L型阻抗匹配网络的设计，学会用Smith原图进行阻抗匹配，对ADS软件有了初步的了解。此外，也学会了用微带单支节短截线进行阻抗匹配。