射频技术阻抗变换与匹配课件.ppt

阻抗变换与阻抗匹配阻抗变换与阻抗匹配一、重要工具－一、重要工具－SMITH图图•阻抗归一阻抗归一阅读：射频电路设计第三章、阅读：射频电路设计第三章、和第八章和第八章8.1－－8.2节•等电阻圆等电阻圆•等电抗圆等电抗圆•阻抗的表达阻抗的表达二、二、L形集总元件匹配网络形集总元件匹配网络•形式形式**《《射频电路设计射频电路设计》》p271• 已已知知源源阻阻抗抗ZS＝＝（（50+j25) Ω, 负载阻阻抗抗ZL＝＝（（25－－j50) Ω, 传输线的的特特征征阻阻抗抗50 Ω, 工工作作频率率 2GHz设计一一L形匹配网形匹配网络•解：解：1.归一化源和一化源和负载阻抗（或阻抗（或导纳）分）分别为：：2.画等画等电阻阻圆和等和等电导圆3.四个交点（四个交点（记为ABCD）分）分别为共有四条移动路径：共有四条移动路径：4.计算电抗值：计算电抗值：以以 为例：为例：从从ZS移动到移动到A，要并联电纳值为，要并联电纳值为-j0.6, 在在2GHz处等价电感值处等价电感值为为再从再从A移动到移动到ZL*，要串联电导值为，要串联电导值为j0.4, 在在2GHz处等价电感处等价电感值为值为四条移动路径对应四种电路形式：四条移动路径对应四种电路形式：•例：利用例：利用SMITHSMITH图阻抗匹配图阻抗匹配•一般程序一般程序**《《射频电路设计射频电路设计》》p271•源和负载阻抗归一化源和负载阻抗归一化•在在Smith图上作过源阻抗的等图上作过源阻抗的等电阻圆和等电导圆电阻圆和等电导圆•在在Smith图图上上作作过过负负载载的的共共轭轭阻抗的等电阻圆和等电导圆阻抗的等电阻圆和等电导圆•找找出出上上述述圆圆的的交交点点，，并并从从源源阻阻抗抗先先移移动动到到交交点点，，再再移移动动到到负负载载的的共共轭轭阻阻抗抗。

根根据据移移动动过过程程求求电电感感和和电电容容的的归归一一化化值值，，并得到电路形式并得到电路形式四条移动路径对应四种电路及参数如下：四条移动路径对应四种电路及参数如下：三、单短截线匹配电路三、单短截线匹配电路(a)并联短截线并联短截线(b)串联短截线串联短截线•基本电路形式基本电路形式基本思路：负载经一段长为基本思路：负载经一段长为d的传输线，阻抗变换到实部为的传输线，阻抗变换到实部为特征阻抗，再并（或串）一共特征阻抗，再并（或串）一共轭电抗，抵消虚部，则在端口轭电抗，抵消虚部，则在端口与特征阻抗完全匹配与特征阻抗完全匹配例例 * **《《微波工程微波工程》》p196•将负载阻抗将负载阻抗ZL＝＝60-j80Ω用单短截线并联匹配电路用单短截线并联匹配电路匹配到匹配到50Ω特征阻抗上特征阻抗上•解解1.阻抗归一化：阻抗归一化：见图2.求求YL沿等驻波比圆（等反沿等驻波比圆（等反 射系数圆）和等阻抗圆射系数圆）和等阻抗圆(?)的交点，见图上的交点，见图上y1、、y2并由图读出相应电纳和移动电长度并由图读出相应电纳和移动电长度3.求并联短截线长度求并联短截线长度 由上述值知，对于由上述值知，对于y1应当并联电纳为应当并联电纳为-j1.47的短截线。

对于的短截线对于y2应当并联电纳为应当并联电纳为j1.47的短截线的短截线 假设选择终端短路形短截线，则从短路点（假设选择终端短路形短截线，则从短路点（y= ∞）沿外沿向）沿外沿向着信号源方向移动到着信号源方向移动到-j1.47，相应移动的长度，相应移动的长度 同理，移动到同理，移动到j1.47时移动的长度时移动的长度3.频率依赖性频率依赖性以以2GHz为中心频率为中心频率*串联短截线的实例可参考串联短截线的实例可参考《《微波工程微波工程》》p199-201.例例 * **《《射频电路设计射频电路设计》》p291•将负载阻抗将负载阻抗ZL＝＝60-j45Ω用单短截线并联匹配电路变用单短截线并联匹配电路变换到换到Zin＝＝75+j90Ω, 微微带线特征阻抗特征阻抗选择75Ω.•解解1.阻抗归一化：阻抗归一化：2.求求YL沿等电导圆和沿等电导圆和Zin的等反射系数圆的交点，见图上的等反射系数圆的交点，见图上A、、B，并由图读出相应阻抗导纳并由图读出相应阻抗导纳3.计算各段微带线长度计算各段微带线长度I) 首先并联一短截线并联电纳为首先并联一短截线并联电纳为 假设选择终端开路形短截线，则从开路点（假设选择终端开路形短截线，则从开路点（y= ∞）沿外沿）沿外沿移动到移动到j0.45（或（或Z＝－＝－j2.222)，相应移动的长度，相应移动的长度II) 由由A到到B的微带线长度直接从圆图外圆上的微带线长度直接从圆图外圆上A、、B的差值读出。

的差值读出若选择先从若选择先从ZL移动到移动到A，再移动到，再移动到Zin的移动路径的移动路径*双短截线匹配网络双短截线匹配网络《《射频电路设计射频电路设计》》p2941.电路形式电路形式其中，其中，l1、、l2、、l3通常取通常取λ/8或或3 λ/8.而而 ls1 、、ls2要通要通过计算求解l1取取λ/8 ，，l2、、l3取取3 λ/8，，从从50+j50Ω匹匹 配配到到50 Ω的的过程四、四分之一波长变换器四、四分之一波长变换器λ／／4•形式形式•匹配段阻抗要求匹配段阻抗要求简单而有用；窄带电路；只能匹配实数负载；简单而有用；窄带电路；只能匹配实数负载；•反射系数反射系数可利用多次反射理可利用多次反射理论或加载微带的阻论或加载微带的阻抗变化公式计算反抗变化公式计算反射系数例如：例如：10－－50Ω匹配匹配,驻波比驻波比<1.5(S11<-14dB)时相对带宽时相对带宽29%.五、多节匹配变换器五、多节匹配变换器•形式形式 假假定定所所有有支支节节阻阻抗抗单单调调变变化化，，则则根根据据小小反反射射理理论论，，总总是是能能通通过过恰恰当当地地选选择择反反射射系系数数，，并并用用足足够多的节数来综合作为频率函数的反射系数响应。

够多的节数来综合作为频率函数的反射系数响应•二项式多节匹配变换器二项式多节匹配变换器**《《微波工程微波工程》》p211 重要的设计公式重要的设计公式常数常数可容忍的最可容忍的最大反射系数大反射系数相对带宽相对带宽二项式变换器设计表格二项式变换器设计表格通通常常最最终终目目标标是是实实现现低低反反射射宽宽带带匹匹配配，，首首先先试试选选择择阶阶数数N N，，计计算算常常数数A A，，并并由由容容忍忍的的最最大大反反射射系系数数计计算算带带宽宽是否满足要求如不能，则增加阶数重作上述步骤是否满足要求如不能，则增加阶数重作上述步骤•例例•计算三节二项式变换器，匹配计算三节二项式变换器，匹配50Ω的负载到的负载到100Ω传输线计算传输线计算Гm=0.05时带宽•解：解：如如果果上上述述指指标满足足要要求求，，查表表（（N＝＝3,ZL／／Z0＝＝2, 注注意取意取50Ω为特征阻抗）得特征阻抗）得Z1Z2Z31.0971.41421.8337利用工具利用工具计算微算微带线宽度和度和长度：度：z0z1z2z3z4Ω5054.8570.7191.69100W(mm)1.861.590.960.520.40L (mm)20.7721.2321.69基基片片：：FR4，，介介电常常数数：：4.4，，厚厚度度：：1mm，，金金属属厚厚度度0.038mm。

中心中心频率率2GHz验证模型：模型：•切比雪夫多节匹配变换器切比雪夫多节匹配变换器•理想最平坦和切比雪夫多节匹配变换器的特性理想最平坦和切比雪夫多节匹配变换器的特性五、渐变线五、渐变线•指数渐变线指数渐变线阻抗变化特性阻抗变化特性反射特性反射特性•三角渐变线三角渐变线阻抗变化特性阻抗变化特性反射特性反射特性•Klopfenstein渐变线渐变线阻抗变化特性阻抗变化特性通带内最大波纹通带内最大波纹•渐变线对比渐变线对比 课堂作业课堂作业 •设设计计四四分分之之一一波波长长微微带带阻阻抗抗变变换换器器，，在在1GHz附附近近实实现现50 Ω和和10 Ω微微带带的的阻阻抗抗变变换换其其中中微微带带线线设设计计选选择择为为在在0.5mm厚厚的的介介质质基基片片Rogers 5880上上的的微微带带线线，，传传播播常常数数为为28.65弧弧度度/米米 @1GHz（这里假设不同阻抗的微带有同样的传播常数）这里假设不同阻抗的微带有同样的传播常数）•参考参考p23。