1、分立 LC 阻抗匹配摘要：阻抗匹配的概念是射频电路设计中最为基本的概念，贯穿射频电路设计始终。阻抗匹配就意味着源传递给负载最大的 RF 功率，换句话说就是要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗匹配。然而，他们的功能并不仅仅为了减小功率损耗而设计的，他们还具有其他功能，如减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。通常认为，匹配网络的用途就是实现阻抗变换，就是将给定的阻抗值变换成其他更合适的阻抗值。关键字：射频；阻抗匹配；阻抗圆图；ADSAbstract: The concept of impedance matching in RF circuit design the most
2、 basic concepts, through the RF circuit design has always been. Impedance matching means that the source is passed to the load maximum RF power, in other words, to achieve maximum power transfer, the need to load impedance and source impedance matching. However, their function is not only designed t
3、o reduce power consumption, they also have other functions, such as reduced noise, increased power capacity and improve frequency response linearity. Is generally believed that the use of matching networks is to achieve impedance transformation is given impedance value into other more appropriate im
4、pedance value.Keywords: RF; impedance matching; impedance circle diagram; ADS1、设计要求：用分立 LC 设计一个 L 型阻抗匹配网络，使 Zs=25-j*15 Ohm 信号源与 ZL=100-j*25 Ohm 的负载匹配，频率为50Mhz。2、设计原理：阻抗匹配原理 阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、
5、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间，等等。例如，扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配，不匹配时，扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器。如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗，扩音机就处于过载状态，其末级功率放大管很容易损坏。反之，如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多，会引起输出电压升高，同样不利于扩，音机的工作，声音还会产生失真。因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好。又例如，无线电发信机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致。如果阻抗值不一致，燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 2 页发信机输出的高频能量将不能全
6、部由天线发射出去。这部分没有发射出去的能量会反射回来，产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层及发信机末级功放管的损坏。为了使信号和能量有效地传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态，即信号源或功率源的内阻等于电路的输人阻抗，电路的输出阻抗等于负载的阻抗。在一般的输人、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件，由它们所组成的电路称为电抗电路，其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路。电抗电路要比纯电阻电路复杂，电路中除了电阻外还有电容和电感。元件，并工作于低频或高频交流电路。在交流电路中，电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗，用字母 Z 表示。其中，电容和电感对交流电的阻碍作用，分别称为容抗及和感抗而。容抗和感
7、抗的值除了与电容和电感本身大小有关之外，还与所工作的交流电的频率有关。值得注意的是，在电抗电路中，电阻 R，感抗而与容抗双的值不能用简单的算术相加，而常用阻抗三角形法来计算（见图 2） 。因而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些，除了输人和输出电路中的电阻成分要求相等外，还要求电抗成分大小相等符号相反（共轭匹配） ；或者电阻成分和电抗成分均分别相等（无反射匹配） 。这里指的电抗 X 即感抗 XL和容抗 XC 之差（仅指串联电路来讲，若并联电路则计算更为复杂） 。满足上述条件即称为阻抗匹配，负载即能得到最大的功率阻抗匹配的关键是前级的输出阻抗与后级的输人阻抗相等。而输人阻抗与输出阻抗广泛存在
8、于各级电子电路、各类测量仪器及各种电子元器件中。那么什么是输人阻抗和输出阻抗呢？输人阻抗是指电路对着信号源讲的阻抗。如图 3 所示的放大器，它的输人阻抗就是去掉信号源 E 及内电阻 r 时，从 AB 两端看进去的等效阻抗。其值为 Z=UII1 ，即输人电压与输人电流之比。对于信号源来讲，放大器成为其负载。从数值上看，放大器的等效负载值即为输人阻抗值。输人阻抗值的大小，对于不同的电路要求不一样。例如：万用表中电压挡的输人阻抗（称为电压灵敏度）越高，对被测电路的分流就越小，测量误差也就小。而电流挡的输人阻抗越低，对被测电路的分压就越小，因而测量误差也越小。对于功率放大器，当信号源的输出阻抗与放大电
9、路的输人阻抗相等时即称阻抗匹配，这时放大电路就能在输出端获得最大功率。输出阻抗是指电路对着负载讲的阻抗。如图 4 中，将电路输人端的电源短路，输出端去掉负载后，从输出端 CD 看进去的等效阻抗称为输出阻抗。如果负载阻抗与输出阻抗不相等，称阻抗不匹配，负载就不能获得最大的功率输出。输出电压 U2 和输出电流 I2 之比即称为输出阻抗。输出阻抗的大小视不同的电路有不同的要求。例如：电压源要求输燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 3 页出阻抗要低，而电流源的输出阻抗要高。对于放大电路来讲，输出阻抗的值表示其承担负载的能力。通常输出阻抗小，承担负载的能力就强。如果输出阻抗与负载
10、不能匹配时，可加接变压器或网络电路来达到匹配。例如：晶体管放大器与扬声器之间通常接有输出变压器，放大器的输出阻抗与变压器的初级阻抗相匹配，变压器的次级阻抗与扬声器的阻抗相匹配。而变压器通过初次级绕组的匝数比来变换阻抗比。在实际的电子电路中，常会遇到信号源与放大电路或放大电路与负载的阻抗不相等的情况，因而不能把它们直接相连。解决的办法是在它们之间加人一个匹配电路或匹配网络。右图中 R 为负载电阻，r 为电源 E 的内阻，E 为电压源。由于 r 的存在，当 R很大时，电路接近开路状态；而当 R 很少时接近短路状态。显然负载在开路及短路状态都不 能获得 最大功率。根据式:从上式可看出，当 R=r 时
11、式中的 式中分母中的(R-r)的值最小为0，此时负载所获取的功率最大。所以，当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率。这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。三、设计过程（1）新建 ADS 工程，新建原理图。在原理图中可以看到端口和 S-parameters 的空间已经添加好了，如图 1 所示图 1 新原理图燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 4 页（2）双击 Term 端口，弹出设置对话框，分别把 Term1 设置成 Z=25-j*15Ohm，Term2设置成 Z=100-j*25Ohm。这里，Term1 作为源，Term2 作为负载。（3）在元器件面板列表中选择“Sm
12、ith Chart Matching”，单击控件图标，在原理图里添加“DASmithChartMatching”控件，使用时需要考虑方向，如图 2 所示。因为工作频率是 50MHz，所以在 S-PARAMETERS 控件里设置从 1100MHz，步长为 1MHz.（4）双击 DASmithChartMatching 控件，设置控件的相关参数，如图 3 所示。在图 3 里，关键的设置有 Fp=50MHz，SourceType=Complex Impedance，SourceEnable=True,源阻抗 Zg=（25-j*15）Ohm ，SourceImpType=Source Impedanc
13、e，LoadType=Complex Impedance，LoadEnable=True，负载阻抗 Zl=（100-图 2 SmithChartMatch 方向图 3 设置 SmithChartMatch 控件参数燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 5 页j*25）Ohm，其它参数采用默认值。（5）在原理图设计窗口里，执行菜单命令【Tools 】【 Smith Chart】 ，弹出“Smartcomponent Sync”对话框，选择“Update Smart Component from Smith Chart Utility”选项后，单击【ok】按钮，弹出“Smit
14、h Chart Utility”对话框，如图 4 所示。图 4 “Smith Chart Utility”对话框燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 6 页（6）在图 4 中，要圈出的地方需要设置 Freq 和 Zo，这里要设置为Freq=0.05GHz，Zo=50Ohm，单击 【Define Source/Load Network Terminations】按钮，弹出“Network Terminations”对话框，如图 5 所示，在这里可以设置源和负载的阻抗。（7）在图 5 中，需要把“Enable Source Termination”和 “Enable Load
15、 Termination”的选项勾选上，它们是为了配合“Smith Chart Matching Network”对话框的“SourceEnable=True”和“LoadEnable=True” ，这样在图 3 里面设置的源和负载阻抗直接导入“Network Termination”对话框。设置完成后依次单击【Apply】和【OK 】按钮，可以看到源（小圆标记）和负载（方形标记）阻抗点都显示在 Smith 原图上了，如图 6图 5“Network Terminations”对话框燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 7 页采用 LC 分立器件匹配过程如图 7 所示。图
16、6 加入源和负载阻抗的 Smith Chart Marching燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 8 页（8）单击【Build ADS Circuit】按钮，即可以生成相应的电路。查看匹配电路如图 8 所示图 7 匹配过程燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 9 页按【F7】进行仿真，结果如图 9 所示。图 8 匹配电路燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 10 页从图中看以看出，S11 和 S22 图形相同，S12 和 S21 图形相同。四、总结本论文研究的是射频阻抗变换器，目的是使电路的输入阻抗与输出阻抗相匹配。本设计具
17、体总结如下：（1）概述了射频阻抗变换器的种类、用途及发展。（2）对基本理论的论述，其中主要阐述了阻抗匹配、阻抗圆图基本知识。（3）对 L 型阻抗变换器的电路进行设计，文中介绍了 L 型阻抗变换器的设计基本步骤.（4）对所设计的 L 型阻抗变换器电路进行软件仿真，通过电路仿真结果析分电路设计是否达到设计要求及更深一步理解电路所实现的功能。本次设计虽然经过了反复的设计、计算及仿真，但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。总之本次设计让我收获很多，它不仅让我巩固了所学的专业知识，更重要的是提高图 9 仿真结果燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书共 11 页 第 11 页了我的应用知识分析问题、解决问题的能力，我想它是我从学习走向工作的桥梁！五、参考文献1 ADS2008 射频电路设计与仿真实例 2 微波技术与天线
