第二节课-匹配课件

1、在射频电路设计中，阻抗匹配是很重要的一环。阻抗匹配的目的就是使负载阻抗与源阻抗共轭匹配，从而获得最大的功率传输，并使馈线上功率损耗最小。实现以上匹配的通常做法是在源与负载之间插入一个无源网络，这种网络通常被称为匹配网络。 微带线的线长与电路的工作频率有关，因此在低频电路中，如果用微带线的方式来设计将会导致电路板面积过大而不适用，通常用LC分立器件进行匹配。但在高频电路中，微带线得到了广泛的应用。这部分就匹配的基本原理进行简要论述，对分立器件和微带线匹配的具体方法分别论述，并介绍ADS里自带的Smith圆图匹配工具和LincCacl工具，另外还将举例说明如何通过自带工具进行分立元器件和微带线进行

2、阻抗匹配,匹配基本原理,Smith Chart Utility Tool是ADS里面自带的工具，提供了Smith Chart的全部功能，既能够进行阻抗匹配，又可在Smith Chart绘制输入/输出稳定性圆、等增益圆、等Q值线、等VSWR圆、等噪声圆等。 1.1.1打开Smith Chart Utility 在原理图窗口里，执行菜单命令【Tool】-【 Smith Chart】即可打开Smith Chart Utility。 在设计向导菜单中，有多个方法可以选择进入Smith Chart Utility（在ADS最初安装的时候要选择完全安装，否则再设计向导菜单中显示的工具不完全）。 （1）【D

3、esignGuide】-【Amplifier】-【Tools】-【Smith Chart Utility】。 （2）【DesignGuide】-【Filter】-【Smith Chart】。 （3） 【DesignGuide】-【Mixers】-【Tools】-【 Smith Chart Utility】。 （4） 【DesignGuide】-【Osclillar】-【Tools】-【Smith Chart,Smith Chart Utility Tool说明,Smith Chart Utility界面如下图所示,Simth Chart Utility既可和原理图上的Smith Chart M

4、atching控件联合起来。也可以单独使用。在原理图窗口元器件面板列表的Smith Chart Matching栏中可以调出Smith Chart Matching，如下图所示,Simth圆图控件,1.1.2 Smith Chart Utility界面介绍 Smith chart utility的界面可以分成作图区、参数提示区、网络响应区、匹配电路预览等几个部分，如下图所示,菜单栏,工具栏,元件调用面板,作图区,参数提示区,网络响应图,匹配网络预览区,当前对应的原理图和Smith Component,右上角的“Current Schematic”和“Smith Component”下拉列表是用

5、来让Smith Chart Utility和原理图上的Smith Chart Matching相对应的，会弹出如图所示对话框，这是一个更新操作提示选项,SmartComponent控件更新时，Smith Chart Utility参数也更新,原理图的SmithComponent控件更新时，Simth Chart Utility参数也更新,1.1.3菜单栏和工具栏 菜单栏包括【Flile】、【Edit】、【View】、【Circle】、【Help】5个菜单。 （1）【File】菜单 【New Smith Chart】：创建一个新的Smith Chart Utility 【Open Smith C

6、hart 】：打开一个已经存在的Smith Chart Utility 【Save】：保存Smith Chart Utility 【Save As】：另存为Smith Chart Utility 【Import Data File】：导入数据文件，如S2P 【Exit Utility】：离开当前的Smith Chart Utility （2）【Edit】菜单 【Delete SmartCompoonent】：删除原理图中的SmartComponent 【Reset】：把作图区的匹配网络复位（清零），即删除一切匹配电路，恢复到 输入/输出端口全在Smith圆图圆心。 【Refresh】：刷新 【

7、End Command】：终止当前操作,3)【View】菜单 【Chart Option】：在这里可以选择Smith圆图上为阻抗还是导纳图，以及主要的刻度。 【Colors】：选择在Smith圆图中显示的不同圆系和曲线的颜色。 【S Parameter】：输入S参数 【Noise Parameter】：输入噪声参数 【Palette】：作图区左上角的Palette元器件列表 【Zoom In】：将选定的区域放大 【Auto Zoon】：查看全部 （4）【Circles】菜单 【Input Stability】：绘制输入稳定性圆 【Output Stability】：绘制输出稳定性圆 【Q】：绘

8、制等Q值曲线 【Noise】：绘制等噪声圆 【VSWRin】：绘制输入等VSWR 【VSWRout】：绘制输出等VSWR 【Unilateral】：单向化设计，即假定S12=0，其中有等圆增益和等负载增益圆两项子项,Bilateral】：双向化设计。其中有等增益圆和等有效功率增益圆 (5)【Help】菜单 【Smith Chart Utility Documentation】：帮助文件的主题和目录 【About Smith Chart Utility】：关于Smith Chart Utility 工具栏包括Smith Chart Utility各种常用工具的快捷按钮，通过它们可以方便的进行操作

9、，下面将默认的工具栏按钮进行介绍。 ：新建一个Smith Chart Utility ：打开一个存在Smith Chart Utility ：保存当前的Smith Chart Utility ：打印 ：在作图区的Smith圆图显示（或不显示）阻抗圆图 ：在圆图区的Smith圆图显示（或不显示）导纳圆图 ：圆图显示选项按钮 ：操作结束的快捷按钮 ：全部显示的快捷按钮 ：元器件面板快捷按钮 ：删除SmartComponent快捷键按钮,1.1.4 smith Chart Utility作图区 Smart Chart Utility作图区如下图所示,1）左上角的两列12个图标可以在smith cha

10、rt中画出相应的器件用于匹配，具体含义如下： ：源（共轭）端口 ：负载端口 ：串联电感，沿阻抗圆顺时针移动 沿电阻圆 从下到上 ：并联电感，沿导纳圆逆时针移动 沿电导圆 从下到上 ：串联电容，沿阻抗圆逆时针移动 沿电阻圆 从上到下 ：并联电容，沿导纳圆顺时针移动 沿电导圆 从上到下 ：串联电阻，沿等电抗圆移动 ：并联电阻，沿等电纳圆移动 ：变压器，沿等Q值线移动 ：串联微带线，沿等VSWR圆顺时针移动 ：并联短路微带线枝节，沿等导纳圆逆时针移动 ：并联开路微带线枝节，沿等导纳圆顺时针移动,2）默认情况下，蓝色的是阻抗圆图，红色的是导纳圆。可以通过【View】下拉菜单【Chart Option】

11、选项来修改其刻度和【Color】选项修改其颜色，如下图所示,在作图区内可以画出输入输出稳定性圆、等增益圆、等Q值线、等VSWR圆、 等噪声源等，具体的匹配电路也在这里显示出来,3）输入输出不稳定圆、等增益圆和等噪声圆都是和晶体管关系密切的圆系，因此要画这些圆首先要在Smith Chart Utility中输入某个晶体管在某个偏置和某个频率下的S参数和噪声参数，（这些参数可以从器件手册中找到，也可以从ADS的数据文件中导出。）通过执行如下左图所示的菜单命令即可打开相应的如右图所示的对话框，按图设置其数据,4）这时就可以绘出晶体管在该偏置频率下的输出输入稳定性圆、等增益圆系，输入输出等VSWR圆系

12、等。如下图所示,输入稳定性圆,输出稳定性圆,输入等VSWR圆,输出等VSWR圆,等增益圆,资用等增益圆,5）绘出的输入/输出稳定性圆、等增益圆等，如下图所示,输出稳定性圆,输入稳定性圆,资用功率等增益圆,工作功率等增益圆,6）绘出的输入/输出驻波比圆如下图所示,输入等VSWR圆,输出等VSWR圆,7）输入噪声参数如下图所示。 四个参数的含义如下： GammaOPT：最小噪声处的输入端最佳反射系数绝对值 argGammaOPT：最小噪声处的输入端最佳反射系数的复数角度 Fmin：最小噪声系数（dB），他与偏置条件和工作频率有关。 Rn：器件的等效噪声电阻 这时就可以绘出晶体管在该偏置该频率下的等

13、噪声圆系。执行菜单命令【Cirle】-【Noise】，绘出的 等噪声曲线如图所示,修改噪声系数，得到不同的噪声源,噪声系数圆,8）绘出的等Q值曲线如下图所示,可以通过改变此处的参数得到不同的等Q值曲线,等Q值曲线,在这些曲线和圆系里面，等Q值曲线、等噪声曲线、等增益曲线可以通过调节各自的值来看到不同的Q值、不同噪声系数、不同增益的曲线和圆系,9）还可以调节各曲线圆系的线条颜色，执行菜单【View】-【Colors】，如下图所示。 （10）在Smith圆图上方，可以设置频率和归一化阻抗，如果勾选“Normalize”则表示归一化，如下图所示,11）单击【Define Source/Load Ne

14、twork Termination】按钮，弹出“Network Termination”对话框，可以设置输入和输出阻抗，如下图所示。 在输入阻抗和输出阻抗的下拉列表里有很多阻抗类型，具体如下。 Resisitive：电阻 Series RL：串联电阻、电感 Series RC：串联电阻、电容 Parallel RL：并联电阻、电感 Parallel RC：并联电阻、电容,Series RLC：串联电阻、电感、电容 Parallel RLC：并联电阻、电感、电容 S-Parameter File：导入S参数数据文件的阻抗 Complex Impedance：复数阻抗 Manual Entry：手

15、动输入 1.1.5 Smith Chart Ulility频率响应区 Smith Chart Ulility频响区如下图所示,对检查匹配网络和观察已给数据的性能来说， Smith Chart Ulility网络区可以很方便和快捷的看到匹配网络的性能和响应，从而进行调整。 Smith Chart 的每个改动都会实时反映在频率响应曲线里面。同时，匹配网络示图区里面可以看到匹配电路的结构和元器件。选中元器件时，会在下方显示相应元器件的参数值,在网络响应（频域）里面可以显示匹配网络的s参数的幅度和相位。 “Start Freq”：起始频率（单位Hz） “Stop Freq”：截止频率（单位Hz） “M

16、ax”：纵坐标的最上边缘的最大值。对于幅度响应，最大值为1；对于相位响应，最大值为180 “Min”：纵坐标的最下边缘的最小值。对于幅度响应，最小值为0；对于相位响应，最小值为-180 “Type”：设置显示类型，有幅度、相位、或dB三种方式 “Tracel1”：选择一个S参数（蓝色线条） “Tracel2”：选择一个S参数，包括是S11、S22、S12、S21（红色线条） “Rest”：复位全部设置 匹配网络结构区域可以预览匹配电路，也可以修改元器件参数或删掉元器件,2.下面我们来讲一下用分立电容电感匹配实例 设计步骤如下所示 （1）在原理图中设定输入输出端口和相应的阻抗。 （2）在原理图中

17、加入Smith Chart Matching控件，并设置相关的频率和输入输出阻抗等参数。 （3）打开Smith Chart Utility，导入对应Smith Chart Matching控件的相关参数或者输入相关参数。 （4）在Smith Chart Utility中选用器件完成匹配。 （5）生成匹配原理图。 设计目标：设计L型阻抗匹配网络，使 信号源和 的负载匹配，频率为50MHz。 （1）新建ADS工程，新建原理图，如下图所示,在原理图中可以看到端口和S-parameters的控件已经添加好了，如下图所示,2）双击Term端口，弹出设置对话框，分别把Term1设置成 Term2设置 。这

18、里，Term1作为源，Term2作为负载，如下图所示,3）在元器件面板列表中选择“Smith Chart Matching”，单击 图标，在原理图里添加“DA-SmithChartMatching”控件，使用时需要考虑方向，如下图所示。 因为工作频率是50MHz，所以在S-Parameters控件里设置从1-100MHz，步长为1MHz，如下图所示,源/输入的方向,负载/输出方向,4）双击DA-SmithchartMatching控件，设置控件的相关参数，如下图所示。 在上图中，关键的设置有Fp=50MHz，Source Type=Complex Impedance，Source Enalbe

19、=True，源阻抗Zg=(25-j*15)Ohm,SourceImpType=Source Impedance, Load Type=Complex Impedance, Load Enable=True,负载阻抗 ，其他参数采用默认值,5）在原理图设计窗口中，执行菜单命令【Tools】-【Smith Chart】，弹出“SmartComponent Sync”对话框，选择“update SmartComponent from Simth Chart Utility ”选项后，单击【OK】按钮，弹出“Simth Chart Utility ”对话框，如下图所示,6）在上图中，圈出的地方需要设置

20、Freq和Zo，这里要设置为Freq=0.05GHz,Zo=50Ohm。单击【Define Source/Loade Network Terminations】按钮，弹出“NetworkTerminations”对话框，如下图所示，在这里可以设置源和负载的阻抗,7）在上面的图中，需要把“Eable Source Termination”和“Enable Load Termination”的选项勾选上，它们是为了配合图“Smith Chart Matching Network”对话框中的“SourceEnable=Ture”和“LoadEnable=Ture”。设置完成后依次单击【Apply】和

21、【OK】按钮，可以看到源（小圆标记）和负载（方形标记）阻抗点都显现在Smith原图上了。如下图所示,8）采用LC分立器件匹配过程如下图所示,8）单击【Build ADS Circuit】按钮，即可生成相应的电路。单击 图标可以查看匹配电路，如下图所示,9）按仿真按钮进行仿真，结果如下图所示。 从图中可以清楚的看到，输入输出反射系数在50MHz时，dB（S11）=dB（S22=-50dB。因为这是一个无源网络，所以S11和S22的曲线相同，S12和S21的曲线相同。 除了手动匹配外，在Smith Chart Utility在下两行有个【Auto 2-Element Match】按钮，单击它可以提

22、供自动两元器件匹配。在确定输入输出阻抗后，单击【Auto 2-Element Match】按钮，会弹出“Network Select”对话框，提供两个匹配供选择，如图所示,10）单击左边的串联电感并联短路电容的匹配网络按钮，自动生成匹配路径，如下图所示,11）单击【Build ADS Circuit】按钮，在原理图上生成匹配电路，如下图所示。 本例采用的是L型匹配。一般电路阻抗匹配的方法有多种，可根据具体电路参数要求进行选择，如VSWR、带宽（Q值）、隔直要求等。在实际应用中，也要考虑匹配后LC元器件值是否为常规值，进而选择匹配电路,3.微带单枝短截线匹配电路的仿真 设计目标：设计微带单枝短截

23、线匹配电路，把阻抗 的负载匹配到阻抗 的信号源，中心频率为1.5GHz。 1.建立工程 （1）运行ADS2008，弹出ADS主窗口。 （2）执行菜单命令【File】-【New Project】，弹出“New Project”对话框。其中，“Name”文本框中为默认的工作路径，在路径的末尾输入“MLINSmatching”，如下图所示。 （3）单击【OK】按钮，完成新建工程,2.设计原理图 （1）单击工具栏中的保存按钮，在弹出的的对话框中命名原理图为“MLINSMatching”并保存。在原理图设计窗口的面板列表中选择“passive Circuit DG-Matching”，然后在原理图中加入

24、元器件“MSUB” (微带基片)和元器件“SSMtch” （微带单枝短截线匹配）。 （2）在原理图设计窗口中执行菜单命令【Insert】-【Template】，打开“Insert Template”对话框，选择“S-Params”，单击【OK】按钮，在原理图中插入S参数仿真模块,3）用鼠标左键双击器件“Msub”，如下图所示，设置微带基本参数,（4）用鼠标左键双击元器件“DA-SSMatch1-MLINSMatching”,设置中心频率为F=1.5GHz，输入阻抗 （与源阻抗 共轭匹配），负载阻抗 。 （5）设置Term1阻抗为 ，Term2阻抗为 。这里Term1为源阻抗， Term2为负载

25、阻抗。再将S参数的扫描范围设置为1-2GHz，步长为0.001GHz，设置完参数的原理图下图所示,6）在原理图设计窗口中，执行菜单命令【DesignGuide】-【Circuit】，弹出“Passive Circuit”对话框，然后双击“Microstrip Control Window ”项，打开“Passive Circuit DesignGuide”对话框，如下图所示,7）在“SmartComponent”下拉列表中选择“DA-SSMatch”,单击【Design】按钮，等待“Design Progress”为100%后，关闭此窗口回到原理图。 （8）在原理图设计窗口中，单击 按钮，再单

26、击原理图设计窗口中的“SSMtch”元器件，可以查看自动生成的匹配网络的子电路，如下图所示,9）然后，单击 按钮回到上层原理图中。 （10）接下来进行s参数的仿真，单击工具栏中的【Simulation】按钮，仿真完成后会弹出数据显示窗口，如下图所示,从图中可以看出整个仿真过程已经实现了微带单支节短接线的匹配,4.微带线双枝节短截线匹配电路仿真 双枝节短截线比单枝短截线更容易实现匹配阻抗的调节。在一些阻抗可调的匹配电路中，经常采用双枝短截线匹配电路。 设计目标：（如图所示）假定传输线长度为 ， ，令所有传输线 的特征阻抗为50Ohm，设计合适的短截线长度，使 的负载阻抗与 的输入阻抗在频率1GH

27、z时达到良好的匹配。 1.建立工程 （1）运行ADS,弹出主窗口。 （2）执行菜单命令【File】-【New Project】，弹出“New Project”对话框。其中，“Name”文本框中为默认的工作路径，在路径的末尾输入“MLINDmatching”，如下图所示。 （3）单击【OK,2.设计原理图 （1）将原理图保存为“MLINDMatching”。在原理图设计窗口中，执行菜单命令【Insert】-【Templation】，打开“Insert Templation ”对话框，选择“S-Params”再单击【OK】按钮，在原理图中插入S参数仿真模块,2）在原理图设计窗口面板列表中选择“smith chart matching”,在“smith chart matching”面板中单击smith圆控件 ，完成后的原理图如下图所示,3）Term1作为源阻抗，阻值为 ；Term2作为负载阻抗，阻值为 将S参数扫频范围设置成0-2GHz，步长为0.001GHz，设置完参数的原理图如下图所示,4）在原理图设计窗口中，执行菜单命令【To