射频电路设计(RF_Circuit_design)

1、RF Circuit Design: Theory and Application福州大学通信工程系许志猛TOPIC 4主要内容主要内容o Smith圆图n 阻抗圆图n 导纳圆图n 圆图的应用o 射频微波网络参数史密斯（Smith）圆图Smith圆图圆图o 阻抗与反射系数是传输线上两个重要的电特性参数。o 数学公式上的联系可以简化为图解法。o 史密斯圆图是将归一化阻抗（z=r+jx）的复数半平面（r0）变换到反射系数为1的单位圆（|=1）内。o 已知一点的阻抗或反射系数,用史密斯圆图能方便地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。o 史密斯圆图概念清晰,使用方便,广泛用于阻抗匹配电路的设计中

2、。随着近年来电子版圆图的普及,使得史密斯圆图得到了大量应用。How Smith chart is generated:/1(1)1LoLoLoZZrjxZZrjxujvZZrjx LetMatching the real and imaginary parts of (1):()(),()()( )urrvruvxx111111222222 Constant ReZL circles: center (r/(r+1),0), radius 1/(r+1)Constant ImZL circles: center (1,1/x), radius 1/xSmith Chart1史密斯圆图的产生等电

3、阻圆等电抗圆Smith Chart2|Z ir+jx-jxr11jxrjxrZZZZoLoL11oLZZjxrzref：SMITH_CHART.mpgConstant ReZL circlesConstant ImZL circlescomplex plane1-1j-j|=1Smith Chart3等电阻圆等电抗圆1.051.05ri0 ()ri0.5 ()ri1 ()ri2 ()xi2 ()xi1 ()xi0.5 ()xi0.5 ()xi1 ()xi2 ()r0.1 ()r0.5 ()1.051.05 rr0 () rr0.5 ()rr1 ()rr2 ()xr2 ()xr1 ()xr0.5

4、 ()xr0.5 ()xr1 ()xr2 ()i0.1 ()i0.5 ()Smith ChartSmith Chart4+jx- jxr=0r=1r=0.5r=2r=x=-1x=-2x=-0.5x=1x=0.5x=2| |=0.5|=0.5 | |=0.1|=0.1| |=1|=1设计工具： smithchart.mcdSmith Chart5阻抗导纳圆图（阻抗导纳圆图（ZY-圆图）圆图）o 在许多实际设计和应用中，需要频繁地从阻抗表达式转换到导纳表达式，反之亦然。为了应用方便，常将阻抗（Z）圆图和导纳（Y）圆图叠加成一个组合圆图称其为阻抗导纳圆图或ZY-圆图。o 阻抗圆图是大家所熟悉的（如图

5、示），导纳原图是怎样呢？UjVRXX20QPZZZPQZZ1ZjBGY1PQYZSmith Chart5-1p在阻抗圆图上给定一个 P点，然后将P点沿等 圆转过180度（相应于传输线上的点移/4距离），得到Q点。由于P、Q两点相距/4，所以有：即因为导纳是阻抗的倒数，即所以 ，即Q点的阻抗值就是P点的导纳值。*传输线重要公式*归一化Smith Chart5-2o 因此求P点的导纳，只需将P点在阻抗圆图上沿等|圆转过180度到Q点，读出Q点的归一化阻抗即为P点的归一化导纳值。o 根据上述特点，如果不转动P点，而是将阻抗圆图转180度，此时 P点的归一化阻抗读数即为P点的归一化导纳值。由此可见，将

6、阻抗圆图转180度即得导纳圆图，如下图所示。UjVRXXGBBSmith Chart5-3p 对导纳圆图而言，原先阻抗圆图的等电阻圆变成等电导圆，等电抗圆变成等电纳圆。原先阻抗圆图中的标称数字全部不变。p 值得注意的是：阻抗圆图转过1800后，纵轴（jV轴）的正向变为向下。所以导纳圆图导纳圆图的下半圆电纳为正，上半圆的电纳为负下半圆电纳为正，上半圆的电纳为负。p 将阻抗圆图和导纳圆图叠加，得到如下图所示的ZY-圆图。Smith Chart5-4Smith Chart6r =0g= r =g=0Smith圆图应用举例圆图应用举例o 求反射系数n 传输线Zo=50，终端接不同负载阻抗n 短路线n

7、开路线n ZL=50参见P67例题3.1(16.6716.67)LZj0.54 221oo (50150)LZj0.83 34oo Smith圆图应用举例圆图应用举例o 求端接负载传输线的输入阻抗n ZL(30j60) 与长为2cm的50 传输线相连，工作频率为2GHz，相速度是光速50，求输入阻抗。71.5630605020.20.63060505ojLooLoZZjjeZZj 122283.770.5pffmvc2191.99od2120.4320.320.555ojdjoeej 1(14.726.7)1inoZZj当d=2cm，顺时针旋转191.99度参见P68例题3.2d称为传输线的电

8、长度称为传输线的电长度Smith Chart7ZsZL设计工具： winsmith.exeSmith Chart8Zo=50Zo=75ZLZs设计工具：Smith V2.00winsmith.exe与并联传输线长度有关与并联传输线长度有关圆心圆心Smith Chart9射射 频频 操操射射 频频 操操设计工具 : winSMITHwinSMITH 是由 Eagleware Corporation 所开发的软件，可向Noble Publishing (NP-5)购买(US$79.00)。 设计工具 :Smith V2.0 Smith圆图应用举例圆图应用举例o 求复杂网络的输入阻抗n应用ZY圆图n

9、使用圆图软件射频/微波网络参数微波网络理论微波网络理论o 在分析低频基本电路和射频/微波电路时，可以运用网络模型，将网络视为一个整体“黑盒子”o 低频电路端口以电压电流表示，对应网络参量：n Z、Y、H和A参量n 可以直接推广到高频电路领域，但测量不易n 频率升高到射频界限，终端的寄生效应不能忽略111 1122221 122211111222211222111 1122221 1222Vz Iz IVz IzIIy Vy VIy Vy VVh Ih VIh Ih VH参量Y参量Z参量二端口网络网络参量二端口网络网络参量11121221212222()()VA VAIIA VAIA参量各网络参

10、量的定义各网络参量的定义H参量矩阵的物理意义为 111211121222121222120,20,10,20,1UZIIUZIIUZIIUZII端口开路端口开路端口开路端口开路111211121222121222120,20,10,20,1UhUIUhIUIhUIIhIU端口短路，(输入阻抗)端口开路，（电压反馈系数）端口短路，（小信号电流增益）端口开路，（输出导纳）Z参量矩阵的物理意义为 散射参量散射参量o 实际射频系统的特性不能再采用终端开路、短路的测量方法：n 短路电感n 开路电容o 射频电路端口以反射波和入射波表示，对应网络参量：n 散射参量(S参数)n 链形散射矩阵(T参数)散射参量

11、（散射参量（S参数）及其定义参数）及其定义2-PortNetworka1a2ZLb1b2ZsVg22122111log20log20log20/log20SORLSIsolationSLossGainSIRL b = S a 对一个二端口网络：b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2011112aabs012212aabs022221aabs021121aabsai、bi分别为输入、输出信号的振幅大小。入射光反射光折射光 S 入射波S11(a2=0)S21(a2=0)S11-二端口接匹配负载时，一端口的反射系数二端口接匹配负载时，一端口的反射系数S21-二端口接匹配负载时，一端

12、口到二端口的传输系数二端口接匹配负载时，一端口到二端口的传输系数玻璃S参数的意义参数的意义S11和S22是两端的反射系数，S12和S21是两端之间的传输系数。链形散射矩阵链形散射矩阵(T参数参数)o 将S参量的概念推广到级联网络，即输入、输出端口写电压波的关系：121112212212abTTTTba系统级联相当于两个T矩阵相乘S参量与T参量的转换见课本P117散射参量的测量散射参量的测量T形接头形接头匹配负载匹配负载网络分析仪网络分析仪入射波入射波传输波传输波反射波反射波S11S21A/RB/R各网络参量的应用各网络参量的应用o 射频/微波工程中，散射参数S使用最多，因为端口反射系数概念清晰

13、，容易测量，端口之间的传输系数就是衰减或增益，便于工程使用。o 网络级联时，使用A参数很方便，多个网络A参数相乘就是整个网络的A参数。o 网络输出端交叉连接时，使用H参数很方便，多个网络H参数相加就是整个网络的H参数。网络级联网络级联网络交叉连接网络交叉连接各网络参量的应用各网络参量的应用o 网络串连时，使用Z参数很方便，多个网络Z参数相加就是整个网络的Z参数。o 网络并联连时，使用Y参数很方便，多个网络Y参数相加就是整个网络的Y参数。网络串联网络串联网络并联网络并联各参量之间的转换各参量之间的转换o 应用中有时需要在不同参量之间进行转换，如用S表示的网络进行级联时需要在S和A之间进行转换，通

14、常是把每个网络单元的S变为A ，相乘后得到整个网络的A，再变为S。o 考虑归一化参数：nzZ/Z0，yY/Y0na11A11，a12A12/Z0，a21A21/Y0 ，a22A22n根据定义，可以实现不同参量之间的转换。(P107,表4.2)o 两端口网络的四个矩阵的之间的变换有软件可以使用。工程中尽可能使用这些软件，减少手工计算，以免出错。课本P106各参量之间的转换各参量之间的转换 22122111112122111zzyzzzzzazz1122111122121211222121112211222211221121111zzzszzzzszzzzszzzzzzszzz 已知z各参量之间的

15、转换各参量之间的转换11221111221212112221211122112222112211212111yyysyyyysyyyysyyyyyysyyy已知y 22122111221121111yyzyyyyazyy各参量之间的转换各参量之间的转换111221221111122122111221221211122122211112212211122122221112212222aaaasaaaaaaaasaaaasaaaaaaaasaaaa已知a 1121222212111 111aazaaaayaa各参量之间的转换各参量之间的转换sssssszsssssszsssssszssssssz221122112