50MHz分立LC匹配网络设计

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1、燕山大学课程设计说明书题目 50MHz分立LC匹配网络设计学院（系）理学院年级专业：10级电子信息科学与技术学 号：学生姓名：王春雨指导教师：徐天赋郭得峰教师职称：讲师讲师燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：理学院 基层教学单位： 10电子信息科学与技术学号学生姓名王春雨专业（班级）10微波技术设计题目分立LC阻抗匹配网络ADS设计设 计 技 术参 数设计参数： 分立LC元件； L型阻抗匹配网络； Zs=25-j*250hm Zl=100-j*150hm； 频率50MHz；设计要求 电路简单，有较咼的可靠性； 有比较理想的S参数； 通过电路的设计，更好地理解匹配的原理； 熟悉运用多种方式实

2、现匹配； 匹配实验具有可重复性。工 作 量两天选题；七天实验操作； 两天完成实验论文的书写； 一天进行检查和修饰；工 作 计 划2013/10/22-2013/10/23实验选题2013/10/24-2013/10/30实验操作2013/10/31-2013/11/11实验论文2013/11/112013/11/20论文检查和修饰参 考 资 料（美）波扎微波工程2010.2 冯新宇，车向前，穆秀春.ADS2009射频电路设计与仿真电子工业出版社2010.3 黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用.人民邮电出版社2010.4 邱光源.电路（第四版）1999.指导教师签字基层教学单位主任签字50

3、MHz分立LC匹配网络设计王春雨理学院 10 级电子信息科学与技术摘要：本文设计一个中心频率工作在80MHz,采纳分立LC元件的匹配网络。源阻抗 Zs=25-j*250hm负载阻抗Zl=100-j*150hm，由于频率不高，分立器件的计生参数对整体性能 的阻碍能够忽略不计。负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值,即它们的模相等而辐角之和为零。 这时在负载阻抗上能够取得最大功率，这种匹配条件称为共轭匹配。由于阻抗匹配涉及到功率 的传输，因此阻抗匹配在高频电路中很经常使用，也很重要。关键字：分立LC元件；阻抗匹配；高频电路；功率传输ADS discrete LC impedance matching ne

4、twork designChunyu WangElectronic Information Science and Technology Class One， College of ScienceAbstract:This design operates at a center frequency of 80MHz, using discrete LC matching network components. Source impedance Zs = 25-j* 25Ohm load impedance Zl = 100-j* 15Ohm,since the frequency is not

5、 high, discrete devices IPPF parameters impact on the overall performance is negligible. Load the source impedance is equal to the conjugate value of the internal impedance, that is, they are equal and the modulus and argument of zero. Then in the load impedance can be obtained on the maximum power,

6、 this matching condition is called conjugate match. Since the impedance matching involves the transmission of power, so that impedance matching is commonly used in high-frequency circuits, is also important.Key words: discrete LC ;Impedance matching ;high-frequency circuits ;Power rriTransmission一 原

7、理阻抗匹配(Impedance matching)。等于信源内阻抗，即它们的模与辐角别离相 等，这时在负载阻抗上能够取得无失真的电压传输；负载阻抗等于信源内阻抗的共 轭值，即它们的模相等而辐角之和为零，这时在负载阻抗上能够取得最大功率,这种 匹配条件称为共轭匹配。本文只涉及到共轭匹配。关于不同特性的电路，匹配条件 是不一样的。在低频纯电阻电路中，当负载电阻等于鼓励源内阻时，那么输出功率 为最大，这种工作状态就可称为匹配，在高频电路中，需要阻抗变换，使源和负载 阻抗共轭，才能达到阻抗匹配状态。现在，阻抗匹配在高频电路和远距离输电线路 中是一个重要课题。阻抗匹配是微波电子学里的一部份，要紧用于传输

8、线上，来达到所有高频的微 波信号皆能传至负载点的目的，可不能有信号反射回来源点，从而提升能源效益。 匹配网络的作用是把rout匹配到rm*。阻抗匹配直接阻碍到功率传输是效率，假 设匹配到不到要求，不仅达不到所需的功率，而且可能会烧毁信号源或信号线。史 密斯图表上。电容或与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的 点会沿着代表实数电阻的圆圈走动。阻抗性能直接阻碍着整个电路的性能，在源给定的情形下，输出功率取决于负 载电阻与信号源内阻之比K,当二者相等，即K=1时，输出功率最大。阻抗匹配的 概念能够推行到路，当负载阻抗与信号源阻抗共轭时，能够实现功率的最大传输， 若是负载阻抗不知足共轭

9、匹配的条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网 络，将变换为信号源阻抗的共轭，实现阻抗匹配。一样来讲，阻抗匹配分为两类： 一种是通过改变阻抗力(lumped-circuit matching)，另一种那么是调整传输线的波 长( transmission line matching)。一、改变阻抗力要匹配一组线路，第一把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化， 然后把数值划在史密夫图表上。把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负 载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。若是把电容或电感接 地(即并联电容或电感)，第一图表上的点会以图中心旋转180 度，然后才沿电阻

10、圈走动，再沿中心旋转 180 度。重复以上方式直至电阻值变成 1，即可直接把阻抗 力变成零完成匹配。二、调整传输线由负载点至来源点加长传输线，在图-1 所示 Smith Chart 上的点会沿著图中心 以顺时针方向走动，直至走到电阻值为1 的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调 整为零，完成匹配。图-1 Smith匹配圆图阻抗匹配那么传输功率大，关于一个电源来讲，当它的内阻等于负载时，输出功率 最大，现在阻抗匹配。，若是是高频的话，确实是无反射波。关于一般的宽频放大 器，输出阻抗50Q，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是若是信号波久远远大 于电缆长度，即缆长能够忽略的话，就不必考虑阻抗匹配了。

11、阻抗匹配是指在能量 传输时，要求负载阻抗要和传输线的特点阻抗相等，现在的传输可不能产生反射， 这说明所有能量都被负载吸收了。反之那么在传输中有能量损失。高速PCB布线 时，为了避免信号的反射，要求是线路的阻抗为50。这是个大约的数字，一样规定 同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆,对绞线那么为100欧姆，只是取个整罢了，为 了匹配方便。天线的阻抗也是天线的一个重要参数，天线的阻抗特性直接阻碍着天 线的回波损耗的天线的带宽。匹配网络的回波损耗越小，说明反射的能量越小。一样要求在所需要的频带内 S11达到-10dB以下，也确实是回波损耗在10dB以上。可是关于一些特殊的场合， 需要设计匹配网络的回波

12、损耗达到15dB以上。回波损耗概念为RL = -20log S(1)Z 一 ZS = in Z0(2)11 Z + Zin0式中，Zin是匹配网络的输入阻抗；Z0是特性阻抗，通常特性阻抗为50Ohm或 75Ohm。什么是阻抗呢？阻抗从字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗字 呢？简单地说，阻抗确实是电阻加电抗，因此才叫阻抗；通俗一点地说，阻抗确实 是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作 用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小不同罢了。电阻小的 物质称作良导体，电阻专门大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导 体，那

13、么是一种电阻值几近于零的东西。可是在交流电的领域中那么除电阻会阻碍 电流之外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抗击电 流的作用。电容及电感的电抗别离称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的 计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小那么和交流电的有关系，频率愈高那么 容抗愈小感抗愈大，频率愈低那么容抗愈大而感抗愈小。另外电容抗和电感抗还有 相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上 的和。电抗在交流电路中的作用，不单单是改变电流的大小，而且改变电压和电流的 相位差。例如，纯对抗电路，电抗值用复数表示，实部为 0，为纯虚数，求得的电 流也是纯虚

14、数，纯虚数代表什么呢？不代表电流是虚的，或是没有电流，而代表电 流的相位和电压的相位相差 90 度，以电压为参考零相位。如此，咱们就更易明白 得了虚数的概念。用复数代表电流，不仅表征了电流的大小，而且表征了电流相关 于电压的相位关系。 什么是特种阻抗呢？特性阻抗：又称“特点阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。在高 频范围内，信号传输进程中，信号沿抵达的地址，信号线和参考平面(电源或地平 面)间由于电场的成立，会产生一个刹时电流，若是传输线是各向同性的，那么只 要信号在传输，就始终存在一个电流I，而若是信号的输出电平为V，在信号传输进程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I,把那个

15、等效的电阻称为传输线 的特性阻抗Z。信号在传输的进程中，若是传输途径上的特性阻抗发生转变，信号 就会在阻抗不持续的结点产生反射。阻碍特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、 线宽、铜箔厚度。二操作步骤和仿真结果以下将设计一个中心频率工作在50M,分立LC元件搭接的阻抗匹配网络。信 号源的阻抗 Zs=25-j*250hm，负载阻抗 Zl=100-j*150hm。采纳分立元件进行匹配，有利于咱们更透彻深切地明白得匹配原理，也有利于 咱们更透彻地明白得特点阻抗的含义。具体操作步骤如下：一、新建ADS原理图文件新建一个 Workspace，在技术选择界面如图-2选择单位为 millimeter。在 Wo

16、rkspace中新建一个Cell文件，在Cell文件中新建原理图文件。r圏 New Workspace WizardChoate 醫fsr the new libr ary for thi s workspace.Standard ADS Layers, 0.0001 mill layout resolutionStandard ADS LayerSj 0.0001 millimBler layout rolutionStardard ADS Layers, 0.001 micron layout resolutionCustom tOpens Technology dilogj图-2 ADS

17、技术选择界面二、设置S参数仿真操纵器本设计顶用到S参数仿真操纵器，因此需要插入如图3所示S parameters。 选择S_Prama操纵面板后，在原理图中插入两个端口，两个士和S仿真主控器, 插入发S参数仿真操纵器如图4所示：Lufir ed-ConipciiLen-l. aLunpe d-1? omp orients Lunped-W j th Ar twork Sdutcse-C n.trollad. SomrcsE-FnanSourc p e-N cidulfl.t adSomrc a e-N odulfl.1 ad-IEPB y d. SDurcsE-JTcii “S：TU-a q

18、hT im e D omai n Sinijliti :r-IiC Siniilati orc-jJCSinijl iti :-rc-S F 迂mSinijliti :-ri-E； Sinijliiti :tc-ISSFSinijl-iti orc-IDE EiniiLiiti :rirEnvelope Sin ill-iti orc-7 ran si 亡 ivt 5i niiL iti :rirE at chSinulati on-Load FullNun1Z=5J0tnS SRAWEIERSSTtra-詞Stin=1.0GHi. cp-IHC GHz Supr.PGH4tssci_Ttrn

19、 TE图-3 S参数仿真操纵器图-4 S参数仿真操纵器面板3、设置端口阻抗双击Term端口，弹出设置对话框，别离把Terml设置成Z=25-j*250hm, Term2 设置成Z=100-j*150hm。那个地址，Terml作为源，Term2作为负载；双击S参数 仿真主控器，设置仿真起始频率、终止频率和步进，如图-5所示：Term Term 3 -Num=3 .Z=(25-j*25OhmTernr ferm4 Nlum=4.Z=(100-j*15 Ohm滦 S-PARAMETERSS_ParamSP2StartsO GHjStap=O 1 GHzStep=.DOWGHz图-5修改输入输出端阻图

20、4、添加 Smith chart matchingW在元器件面板列表当选择“Smith Chart Matching，单击歹.图标，在原理图 里添加“ DA_SmithChartMatching 控件，如图-6所示：5、TermTemnlNum = 1Z-(25-j*25)OhmDA_S mithCha rttlatQh 1_fenli pi.pe2DA_5mithChartMatGh 1I S-PARAMETERSISFmramSP1 .StartrO GHz .StQp=O 1 GHz St即二 0010GHz图-6 插入Smith chart控件殳置 DA_SmithChartMatch

21、ing 控件双击DA_SmithChartMatching控件，设置控件的相关参数,TermTerm 2Num=2如图-7所示:图-7DA_SmithChartMatching控件设置对话框在图-7 里，关键的设置有，Fp=50MHz , SourceType=Complex Impedence ,Sourceenable=True,源阻抗 Zg= (25-j*25) Ohm,负载阻抗 Zl= (100-j*15) Ohm, 其他参数选用默许值。在本实例里，匹配网络的作用是把r out匹配到r in*，也确实是把负载阻抗Zl= (100-j*15) Ohm 匹配到源阻抗的共轭 Zg*= (25

22、-j*25) Ohm。匹配网络的框图如图-8所示：MatchingNetwork匹配网络框图6、利用Smith Chart工具在原理图设计窗口中，执行菜单命令【Tool】f【Smith Chart】，弹出SmartComponent Sync 对话框，选择“ Update SmartComponent from smith Chart Uility 选项后，单 击【OK】按钮，“弹出Smith Chart Uility”对话框，如图-9所示。Update SmartComponent from smith Chart Uility 的作用是 smith Chart Uility 参数更新 时，

23、Smart Component控件参数也更新，即在Smith Chart原图窗口进行的操作产 生的数据会更新到Smart Component控件。7 Smith Chart Uility 参数设置需要设置Frequent和Z0，那个地址需要设置Freq=，Z0=50Ohm。单击【DfineSource/Load Network Termination 】按钮，弹出“ Network Termination 对话框，如 图-10所示：图-9“ Smith Chart Uility 对话框图-10“Network Termination 对话框在图-10 中，需要把“Enable Source T

24、ermination 和“Enable Load Termination 的 选项勾选上，他们是为了配合DA_SmithChartMatching控件对话框的“Smith Chart Matching Network 对话框“SourceEnable=True 和LoadEnable=True，如此在 DA_SmithChartMatching控件对话框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，能够看到（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-11所示：图-11 加入源和负载阻抗

25、的Smith ChartMatching八、手动匹配进程单击（并联电阻）后，将鼠标放在圆图上，能够看到匹配的轨迹，然后 再单击二j （串联电容），负载的阻抗即匹配到了源阻抗的共轭。匹配轨迹图如图-12所示：单击【Build ADS Circuit】按钮，即可生成相应的电路。单击= 能够查看匹配电 路，如图-13所示：I(I Lidk 5st Ibj討in曲Z LwkIrgia回IabljjiiL RfUM鱼Lb. IiliLi Ijiifttii：:立lyAht w;nk o Tssn s： f * 伽PSYfi&申血Srar lbw中讪曲tJ5*j|.lhj!ili.uljL”BoiL-1

26、US Cltcui. LZlc-Dili La E-tlElid Cnjou/L F EiA Di_EkiLI.l .丁寸 VlI- 一pic idrt 工if rdw Hdp- 二IB曲总豈的誥fe R这目xPri (OTi：!ZU (Onijfl K5=1V JttvwJiie审j丄 TH辛aIEjm ScircLLpfe-l Hi Lirk TanjjllLj icu.!fLvarli Bnpmi-ftaiiik 3-ibsrrsrJ Cy:d 4姑馆打-碍知T：L2闻遁+j|AxiI.e- 2-luuit 让chYbLm： HM-JfclS图-12匹配进程.PI .-Num-1Parn

27、nEter5=#50 MHz#8#1#50 0hm#1LIOP2Num=2L=82 J253a9 nH ft=le-12 Ohnri rw-RR1R=32.78 0lini图-13匹配电路九、仿真 单击按钮，进行仿真，结果如图-14所示:加-砒-B.4-6.6-6.SReverse Transmission, dB7.0-T.IIiiii0 K 2D 30 4Q 50 00 7C 80 90 100frtq, MH?图-14仿真S参数结果从图中能够看出，S11和S12曲线趋势知足要求，可是S12曲线的峰值只有，不能 知足工程需要。从Smith Chart圆图上面看，尽管负载阻抗匹配到了源阻抗的

28、共轭， 可是不能知足工程需求。10、采纳第二种匹配方式单击丁 （并联电容）后，将鼠标放在圆图上，能够看到匹配的轨迹，然后再 单击尺（串联电容），负载的阻抗即匹配到了源阻抗的共轭。匹配轨迹图如图 -15所示。单击【Build ADS Circuit】按钮，即可生成相应的电路。单击=能够查看匹配电 路，如图-16所示：图15匹配进程十 P1 Num = 1L1L=217.433458 nHR=ie-12 Ohm 1-| I-/CP2 NuC1C=50.852754 pF图-16匹配子电路仿真单击:切按钮，进行仿真，结果如图-17所示:-5-：-/-1 1 11 11 11j 30 W :-1a e

29、1j 11j L1:$1al/kJECDp4并 L鸟KD_、/11 1 1 1 1 】2D兀丄1 1 1 1 1 L ft M 1 1 1 1 1 j 羽 J H覆fisq.MFz:fteq, MHi图-14仿真S参数结果从图中能够地看出，反射系数和传输系数在59MHz频率处都很理想。 匹配也能够采纳并联短路电感串联电容的方式，如图a所示：图a并联短路电感串联电容的方式匹配途径P1C1N Lim = 10=167.638766 pFw |pi 2Nu m=2L匸 1L=168.47476& nHR= 1 e-12 Oh m图b并联短路电感串联电容的方式匹配子电路wcjhp从图中能够看出，S21

30、参数仿真结果与串联电感并联短路电容的匹配网络的仿真结 果有专门大的不同，但50MHz频率处，实现了超级低的传输损耗，符合工程设计 要求。A.uto 2-ELeineiit Mat ch1一、除手动匹配外，能够利用自动匹配功能在Smith Chart窗口设置和源和负载阻抗后，单击窗口下面的钮，会弹出“Network Select对话框，提供两个匹配网络供选择，如图-16所示。图-16 Auto 2-Element Match 的“Network Select” 对话框其中，左侧的图标表示匹配网络中，挨着负载的第一个元件是并联电容，右边 的图标表示挨着负载的第一个元件是并联电感，而且图中将电容电感

31、的值标了出 来。单击左侧的串联电感并联短路电容的匹配网络按钮，固然，也能够单击右边的 串联电容并联短路电感按钮，自动生成匹配途径，如图-17所示：图-17自动生成的匹配途径P1Num = 1单击左下角的【Build ADS Circuit】按钮，在原理图上生成匹配电路，如图-18所示。L1L=219.460207 nH Rle-12 Ohm、_Xp2 I N u nn=2:.C=50 05423 pF图-18 Auto 2-Element Match生成的子电路 本例采纳的是 L 形匹配，一样电路匹配方式有多种，能够依照具体电路参数要求进 行选择，在实际应用中，也要考虑匹配后元器件值是不是为常规值，进而选择匹配 电路。三、小结本文设计一个 50MHz 匹配网络。并完成了 S 参数仿真，达到较理想结果。通 过匹配网络的设计，对电路匹配的原理有了更深一步的了解，对电阻和特点阻抗有 了更深层次的熟悉，关于尔后的学习有专门大的帮忙。另外，实验实践中，还学到， 能够采纳不同的方式达到同一个目的，但同时也要考察所另辟出来的方式的可行 性。参考文献1（美）波扎.微波工程 电子工业出版社 2020.2 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例.电子工业出版社2020.3 黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用.人民邮电出版社2020.4 邱光源.电路（第四版） 高等教育出版社1999.