【正文】 ion coefficient and the bandwidth。 Impedance matching。 ADS 1 目錄緒論 ............................................................................................................................................11 射頻電路理論 .................................................................................................................3 集總參數(shù)與分布參數(shù) 3 傳輸線理論 3 傳輸線的分布電路模型 4 傳輸線的基本特性參數(shù) 4 傳輸線工作狀態(tài) 6 微帶線 7 史密斯圓圖 9 反射系數(shù)圓 10 史密斯阻抗圓圖 11 史密斯阻抗導納圓圖 13 匹配網(wǎng)絡 14 集總參數(shù)元件匹配網(wǎng)絡 15 分布參數(shù)元件匹配網(wǎng)絡 17 混合參數(shù)元件匹配網(wǎng)絡 19 射頻網(wǎng)絡基礎 19 射頻電路工作特性的分析方法 19 二端口射頻網(wǎng)絡參量 202 設計內(nèi)容 .......................................................................................................................21 集總參數(shù)元件匹配網(wǎng)絡設計 21 L 形匹配網(wǎng)絡 21 T 形匹配網(wǎng)絡 26 形匹配網(wǎng)絡 31? 分布參數(shù)元件匹配網(wǎng)絡設計 35 單支節(jié)匹配 35 雙支節(jié)匹配 39 阻抗匹配網(wǎng)絡 444/?3 設計總結 .......................................................................................................................48 使用 ADS 進行匹配網(wǎng)絡設計的可行性 48 2 仿真參數(shù)選擇 48 匹配元件取值精度對仿真結果的影響 49 反射系數(shù)與帶寬 51 終端開路與終端短路 51致謝 53參考文獻 541 緒論隨著通信手段的日益豐富和通信技術的不斷發(fā)展，通信領域經(jīng)歷了從有線到無線、從固定到移動、從低頻到高頻的巨大變化，在需求的強大激勵和技術的有力支持下，與現(xiàn)代通信相匹配的射頻(RF) 和微波(MW)電路得到了廣泛的應用，逐漸成為科學和工程領域中一門令人矚目的技術。隨著科學技術的不斷進步，電子通信系統(tǒng)的工作頻率不斷提高，目前應用日趨廣泛的移動通信 (GMS3G)、全球定位(GPS)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、寬帶無線接入系統(tǒng)(WIMAX) 和射頻識別(RFID) 等領域，工作頻率都已經(jīng)達到了GHz,此外新型半導體器件和計算機的工作頻率也已經(jīng)達到 GHz 頻段，這使得與此頻段相適應的射頻和微波電路逐漸成為一個普遍存在的技術，這就迫切需要人們熟悉相應的射頻和微波電路設計方法。在電子通信領域，信號采用的傳輸方式和信號的傳輸特性是由工作頻率決定的。一般認為，當頻率高于 30MHz 時電路的設計就需要考慮射頻電路理論，而射頻電路理論應用的典型頻段為幾百 MHz 至 4GHz，在這個頻率范圍內(nèi)，由于分布參數(shù)的存在，電路中出現(xiàn)了許多獨特的性質，這些性質在常用的低頻電路中從沒遇到過，而低頻的基爾霍夫電路理論也不再適用。只有確切地知道射頻電路與低頻電路有什么區(qū)別及如何實現(xiàn)，才能開發(fā)并改進射頻電路，滿足射頻領域不斷發(fā)展的需求。目前國內(nèi)外各種商業(yè)化射頻和微波電子設計自動化軟件工具不斷涌現(xiàn)，使用軟件工具已經(jīng)成為射頻和微波電路設計的必然趨勢。ADS(Adcanced Design System)軟件由美國安捷倫(Agilent)公司開發(fā)，是目前射頻和微波電路設計的首選工程軟件。2 射頻電路理論 集總參數(shù)與分布參數(shù)在低頻電路中，認為電場能量集中在電容中，磁場能量集中在電感中，電磁能的消耗全部集中在電阻上，連接元件的導線是既無電感電容又無電阻電導的理想導線，這就是集總參數(shù)的概念。當頻率增高到射頻，連接元件的傳輸線由于集膚效應的出現(xiàn)，使傳輸線的有效面積減小，傳輸線上的電阻增加，且分布在傳輸線上，可稱為傳輸線的分布電阻；傳輸線上有高頻電流流過，傳輸線周圍必然有高頻磁場存在，沿線就存在電感，可稱為傳輸線的分布電感；又因傳輸線兩導體間有電壓，故兩導體間存在高頻電場，沿線就分布著電容，可稱為傳輸線的分布電容；傳輸線兩導體間有漏電，沿線兩導體間就存在漏電導，可稱為傳輸線的分布電導。 傳輸線理論隨著工作頻率的提高，工作波長不斷減小，當波長與元器件尺寸或電路尺寸相比擬時，傳輸線上的電壓和電流將隨空間位置而變化，這就是傳輸線理論。傳輸線是長線還是短線，取決于傳輸線的電長度而不是它的幾何長度。在射頻電路中，傳輸線的幾何長度有時只不過幾厘米，但因為?這個長度已經(jīng)可以與工作波長相比擬，仍稱它為長線；相反地，輸送市電的電力線，即使幾何長度為幾千米，但與市電的波長(6000km) 相比還是小很多，所以只能看作是短線。所謂均勻傳輸線，是指傳輸線的幾何尺寸、相對位置、導體材料及導體周圍煤質特性沿電磁波的傳輸方向不改變的傳輸線。一般情況下，均勻傳輸線單位長度上有 4 個分布參數(shù)，即分布電阻 、分布電導 、分布電感 和分布電容 ，它們的數(shù)值均與傳輸線的種RGLC類、形狀、尺寸、導體材料及導體周圍媒質特性有關。R m/?分布電導 —傳輸線單位長度上的總電導值，單位為 。L H/分布電容 —傳輸線單位長度上的總電容值，單位為 。zRzGdzLzC 圖 傳輸線分布電路模型 傳輸線的基本特性參數(shù)通過研究傳輸線上電壓和電流的變化規(guī)律以及它們之間的相互關系，可以得到傳輸線的一些基本特性參數(shù)。 對于射頻傳輸線，特性阻抗近似為：()CLZ?0在射頻情況下可以認為傳輸線的特性阻抗為純阻抗。zZin()39。39。z上的任意位置。波的反射現(xiàn)象是傳輸線上最基本的物理現(xiàn)象，傳輸線的工作狀態(tài)也主要決定于反射的情況。反射系數(shù)定義為傳輸線上某點的反射電壓與入射電壓（或反射電流與入射電流）之比，常以 表)(39。39。39。 zIzV??????式中， 為反射電壓， 為入射電壓， 為反射電)(39。 )(39。)(39。 39。)( zjLzjLeez????????式中， 為終端反射系數(shù)， 為終端反射系數(shù)的相位， 表示L 39。 4. 駐波系數(shù)反射系數(shù)可以用來表示傳輸線的反射特性，但是由于它是復數(shù)，并且隨傳輸線的位置而改變。駐波系數(shù)定義為傳輸線上電壓最大點與電壓最小點的電壓振幅之比，常以 或 VSWR 表示：?()minaxV?式中， 為電壓最大點的幅值， 為電壓最小點的幅值。L5. 回波損耗回波損耗是由于傳輸線上信號的反射引起的，回波損耗的定義為dB ()inRL???lg20 傳輸線工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)是指傳輸線上電壓、電流和阻抗的分布規(guī)律。射頻波段的傳輸線一般不長，可以把傳輸線當作無耗傳輸線處理。1. 行波工作狀態(tài)有兩種情況可以產(chǎn)生無反射工作狀態(tài)：一是傳輸線無限長的情況；二是負載匹配匹配的情況。當行波狀態(tài)的特點：(1) 傳輸線上各點電壓和電流的振幅不變。(3) 傳輸線上各點的輸入阻抗均等于特性阻抗。駐波狀態(tài)的特點：(1) 傳輸線上電壓和電流的振幅是位置的函數(shù)，具有波腹點和波谷點，波腹點和波谷點相距 ，波谷點振幅為 0。2/?(3) 傳輸線上各點的輸入阻抗為純電抗。(4) 電感和電容可以用一段適當長度的終端短路傳輸線或終端開路傳輸線等效。行駐波狀態(tài)的特點：(1) 傳輸線上電壓和電流的振幅是位置的函數(shù)，具有波腹點和波谷點，波腹點和波谷點相距 ，但波谷點振幅不為 0。只有在電壓2/?波腹點和電壓波谷點時，輸入阻抗為純電阻。?/0Zin? 微帶線微帶線是平面型結構，可以用刻蝕電路技術在(PCB)上制作，容易外接固體射頻器件構成各種射頻有源電路，而且可以在一塊介質基片上制作完整的電路，實現(xiàn)射頻部件和系統(tǒng)的集成化、固態(tài)化和小型化，因而是目前射頻微波電路中使用最廣泛的傳輸線。微帶線的損耗和相互干擾的程度與介質基片的相對介電常數(shù)有關，所以常用的介質基片是介電常數(shù)高、高頻損耗小的材料，比如氧化鋁r?陶瓷 ( =~10， )r???1. 微帶線組成結構微帶線是平面型結構，它由金屬接地板、介質基片和導帶三部分組成，介質基片填充在金屬接地板和中心導帶之間，如圖 所示。re?微帶線有效相對介電常數(shù) 的近似計算公式為：re? hWWhrrerre ?????????? ????????????????212212104.?? ()式中， 表示相對介電常數(shù)，W 表示導帶寬度，h 表示介質基r?片厚度。但是微帶線導體帶尤為有兩種媒質，導體帶上面為空氣、下面為介質，存在介質 空氣分界面。微帶線傳輸準 TEM 波，但微帶線的傳輸特性近似按照 TEM 波計算。h5. 微帶線損耗微帶線存在損耗，常以衰減常數(shù) 表示。dc()cd??對于低損耗介質：（dB/cm） ()????rerd?對于高損耗介質：(dB/cm) ()rerd ??????微帶線的導體損耗為： ()WZRSc0??其中 ???0fRS?式中， 為導帶的電導率， 為微帶線在真空中的磁導率。史密斯圓圖廣泛應用在電路的阻抗分析、網(wǎng)絡的匹配設計、放大器的增益計算、有源電路的穩(wěn)定性設計等方面，甚至于儀器，例如廣泛使用的網(wǎng)絡分析儀。史密斯圓圖是應用于工程領域的一個非常有用的工具，但是它本身的構成比較復雜，學習起來也比較困難，為了更易于理解，下面將按“史密斯反射系數(shù)圓+ 史密斯阻抗圓+ 史密斯導納圓”的方式逐漸添加，由淺入深循序漸進地講述。史密斯圓圖是在反射系數(shù)的復平面上建立起來的，為此，首先介紹復平面上反射系數(shù)的表示方法。等反射系數(shù)圓的軌跡是以坐標原點為圓心、以 為半徑的圓。無耗傳輸線上距離終端為 處的反射系數(shù)為：39。 39。L?等反射系數(shù)圓的特點為：(1) 當反射系數(shù)的模值 =0L時，駐波系數(shù) =1，反射系數(shù)復平面上的坐?標原點為匹配點。(3) 所有反射系數(shù)的模值都滿足 ，反射圓的半徑隨負載阻抗與特性阻抗失陪度的不同而不同。由于等電阻曲線是一族圓，所以等電阻曲線也稱為等電阻圓。歸一化輸入阻抗定義為輸入阻抗與傳輸線特性阻抗之比，用公式表示為()0Zzini?又傳輸線上的電壓（電流）由入射電壓（電流）和反射電壓（電流）疊加而成，用公式表示為())()(39。39。39。 zIzIVV???將反射系數(shù)的定義式()代入上式可得圖 等反射系數(shù)圓圖 等反射系數(shù)圓族()??)(1)(39。39。39。 zIzV???將上面兩個式子相除，再由輸入阻抗和特性阻抗的定義可得())(1)(39。039。39。()??22111 iriririn jjz ?????????設 為歸一化電阻， 為歸一化電抗，由上式可得x ()21ir????()??2irx將式() 變換后得到等電阻圓的方程式為()22)1()1(rrir ?????顯然，根據(jù)方程特點可知，所有等電阻圓族在復平面的點(1,0)處相切，如圖 所示。由于等電抗曲線是一族圓，所以等電抗曲線也稱為等電抗圓。將反射系數(shù)圓族、等電阻圓族和等電抗圓族繪在一起就構成了史密斯阻抗圓圖，如圖 所示。018將等反射系數(shù)圓、反射系數(shù)相角、電刻度圓、等電阻圓、等電抗圓、等電導圓和等電納圓都繪在一起就構成了史密斯阻抗 —導納圓圖，為了不使圓圖太過密集，一般都省略了等反射系數(shù)圓圖，如圖 所示。標明電長度變化的圓稱為電刻度圓，電刻度圓的起始位置o360在圓的最左端，順時針旋轉時電刻度的數(shù)值增大。1. 圓圖上三個特殊點① 匹配點。10,1????， Lxr② 短路點。oLr 8,0??，③ 開路點。oLxr 0,1, ?????，2. 圓圖上三條特殊線① 右半實軸線。同時，0,1??xr線上 的讀數(shù)為駐波系數(shù)的讀數(shù)。線上 ，為電壓波谷點的軌跡。r③ 單位反射系數(shù)圓。② 實軸以下半平面是容性阻抗的軌跡。② 傳輸線上的點向負載方向移動時，在圓圖上沿等反射系數(shù)圓逆時針旋轉。0/ZLjx??④ 在電路中串聯(lián)電感 時，在圓圖上沿等電阻圓逆時針移動C，即得到圓圖上歸一化輸入阻抗所在的點。0/LYjb??⑥ 在電路中并聯(lián)電感 時，在圓圖上沿等電導圓順時針移動C，即得到圓圖上歸一化輸入導納所在的點。例如，在放大器和振蕩器的設計中，匹配網(wǎng)絡是電路設計的必要部分，需要在有源電路中插入無源匹配網(wǎng)絡。(2) 減小線路反射，目的是減小噪聲干擾，提高信噪比。匹配包括兩個方面，一個是傳輸線與負載之間的匹配；一個是信源與負載之間的共軛匹配。匹配網(wǎng)絡在電路中 2 個不同阻抗之間引入，以達到傳輸線與負載之間匹配或信源與負載之間共軛匹配。只要負載阻抗不是一個純虛數(shù)，都可以選擇一個無耗網(wǎng)絡進行匹配，在選擇匹配網(wǎng)絡時考慮的主要因素有 4 個：(1) 簡單性。(2) 帶寬。(3) 可實現(xiàn)性。(4) 可調整性。理性情況下，匹配網(wǎng)絡本身應該是無耗的，以避免信源到負載的功率進一步衰減，因此匹配網(wǎng)絡中沒有電阻。4/? 集總參數(shù)元件匹配網(wǎng)絡在射頻電路中，仍可以采用集總參數(shù)的分立元件，能實現(xiàn)匹配功能的分立元件網(wǎng)絡很