通信射频电路教学课件：第五章 阻抗转换与调谐

1、1第五章 阻抗转换与调谐本章内容Smith圆图阻抗转换阻抗匹配网络设计 重点掌握反射系数的图解表示形式-Smith圆图及其应用技巧；2元件L-型、3元件PI型/T型等集总元件/分布式元件及它们的组合式实现的基本阻抗转换（匹配）电路拓扑结构和特点；阻抗匹配电路设计的解析法、Smith圆图法和CAD工具应用方法。&6.1 Smith 圆图电压波反射系数与输入阻抗的关系2电压波反射系数与输入阻抗之间存在一一对应关系!3 1930年, P.H.Smith开发出传输线输入阻抗及反射系数的图解分析方法, 这种图解法称为Smith圆图(Smith Chart)法。Smith圆图在RF阻抗转换、匹配网络设计,

2、增益和噪声系数计算等方面得到非常广泛的应用。Smith圆图相量形式的反射系数4解:负载短路负载开路匹配负载电容性负载电感性负载例题: Zo=50 Ohm, ZL =0、 、50Ohm、(16.67-j16.67)Ohm、(50+j150)Ohm,5归一化输入阻抗归一化输入阻抗定义：6例题: Zo=50 Ohm, ZL = (30+j60)Ohm， f=2GHz, Vp=0.5C, 问:Z=2cm, Zin(2cm)=?解: 确定输入阻抗,电压/电流波必须行进到负载后再返后到输入源!7Smith阻抗圆图阻抗复数平面反射系数复数平面8讨论与分析1. r为常数,等电阻圆图2. x为常数,等电抗圆图9

3、3. Z=r+jx(Z平面任意阻抗), Smith阻抗圆图由r和x圆在 范围内组合的Smith阻抗圆图10 Smith导纳圆图导纳复数平面反射系数复数平面11Smith导纳圆图由g和b圆在 范围内组合的Smith导纳圆图12Smith阻抗导纳组合圆图 Smith阻抗导纳组合导纳圆图13 阻抗元件的固有品质因子(Q值)1.串联形式2.并联形式Smith 圆图中等 Q值圆14 谐振回路的品质因子(Q值)谐振回路谐振回路的归一化选频特性Smith 圆图中等Q值圆15Smith 圆图中等 SWR圆Smith 圆图中等SWR圆16端接负载的传输线输入阻抗Smith圆图应用应用Smith阻抗圆图求解步骤1

4、. Normalize load impedance2. Find reflection coefficient3. Rotate reflection coefficient4. Record normalized input impedance5. De-normalize input impedance17例题1: Zo=50 Ohm, ZL = (30+j60)Ohm, f=2GHz, Vp=0.5C。问:Z=2cm, Zin(2cm)=?解:18串联：例题2: 阻抗-导纳（串,并联）互换并联：19 Instead of rotating the reflection coeffici

5、ent about180 degree, we keep the location fixed and rotate theentire Smith Chart by 180 degree!The Smith Chart in its original form is kept for impedance display, but a second Smith Chart is rotated by 180 degree for admittance display.20例题3: R,L,C,G串/并联输入阻抗/导纳VS频率(a)R,L并联输入导纳VS频率f=0.5-4GHz, Zo=50Oh

6、m,g=0.3,0.5,0.7,1,L=10nH。g,f固定,L变化,情况如何? 21(b)R,C并联输入导纳VS频率f=0.5-4GHz, Zo=50Ohm,g=0.3,0.5,0.7,1,C=1pF。g,f固定,C变化,情况如何? 22(c)R,L串联输入阻抗VS频率f=(0.5-4GHz, Zo=50Ohm,r=0.3,0.5,0.7,1,L=10nH。R,f固定,L变化,情况如何? 23(d) R,C串联输入阻抗VS频率f=0.5-4GHz, Zo=50Ohm,r=0.3,0.5,0.7,1,C=1pF。R,f固定,C变化,情况如何? 24例题4: 一端开路传输线的输入阻抗(电感或电容

7、元件)电感元件电容元件Creating capacitive/inductive impedances via an open-circuit transmission line(f=3GHz)25例题5: 一端短路传输线的输入阻抗(电感或电容元件)电感元件电容元件Creating capacitive and inductive impedances via a short-circuit transmission line(f=3GHz).26&6.2 阻抗变换阻抗变换定义信号源NZL+-uocZLZ0或iscZLZ0变换网络ZLZ1Z2 将一种阻抗变换为另一种阻抗,实现阻抗变换的电路称为

8、阻抗变换网络。阻抗变换目的(1)实现RF信号无反射传输,消除端口驻波;(2)在前端（天线、LNA、混频器等）改善NF,实现最小NF传输;(3)在器件间实现信号的最大功率传输。27实现源向负载传输最大功率,最小化驻波比阻抗匹配条件共轭匹配条件：2829阻抗匹配电路设计的基础知识串并联之路阻抗互换关系串联支路（元件）或并联支路的Q值例题: 计算图（a）所示实际电路的谐振频率其中：串联支路-并联支路互换后，其Q值保持不变！30谐振电路的有载品质因子（Q）谐振电路的固有Q0： 由L、C、r构成的谐振电路接入信号源Rs和负载RL后，由于没有电感/电容的影响，电路的谐振频率不变，但其谐振阻抗和Q发生了变换

9、。谐振电路的有载Qe：其中：称为谐振电路的空载Q阻抗匹配网络类型分立(集总参数)元件匹配网络分布式(传输线)匹配网络分立元件和分布式(传输线)混合匹配网络&6.3 阻抗匹配网络设计(1) 分立元件匹配网络双元件形匹配电路三元件T形或形匹配电路多元件匹配网络电路31L型匹配电路的阻抗匹配思想32二元件L型匹配电路类型2种L型匹配电路拓扑结构8种L型匹配电路类型33三元件匹配电路类型2种三元件匹配电路拓扑结构T形、形匹配电路拓扑三元件匹配电路实际上是2个L形匹配电路的级联三元件匹配电路的阻抗匹配思想（T型电路为例） 负载阻抗首先被转换到一个中间电阻，再将中间电阻值匹配到源阻抗值,其能选用适当的中间

10、电阻值去控制匹配电路带宽。(2) 分布式匹配网络(3)分立/分布式元件混合匹配网络34 多元件组合匹配网络电路（含变压器） 多元件匹配电路是多个L形或三元件匹配电路的级联二元件L形阻抗匹配网络的匹配禁区 应注意到: 任何一个二元件L形阻抗匹配网络拓扑不能实现任意负载阻抗和源阻抗之间的匹配,存在一定的匹配禁区! 该阻抗匹配网络无法将落在图中阴影区内的负载阻抗与50欧的源阻抗相匹配!图中其他部分为匹配区域.各种阻抗匹配网络的特点35该阻抗匹配网络无法将落在图中阴影区内的负载阻抗与50欧的源阻抗相匹配!图中其他部分为匹配区域。36该阻抗匹配网络无法将落在图中阴影区内的负载阻抗与50欧的源阻抗相匹配!

11、图中其他部分为匹配区域.该阻抗匹配网络无法将落在图中阴影区内的负载阻抗与50欧的源阻抗相匹配!图中其他部分为匹配区域.37 三元件和多元件匹配网络的特点To permit the matching of almost any load conditionsAdded element has the advantage of more flexibility in the design process Provides quality factor design分布式(传输线)阻抗匹配网络特点分立/分布式元件混合匹配网络特点Transmission lines and lumped capaci

12、tors; Less susceptible to parasitics;Easy to tune;Efficient PCB implementation;Small size for high frequency.38阻抗匹配网络设计阻抗匹配网络设计目标满足应用要求(带宽,插损,驻波比,等);低成本, 可靠;容易实现. 阻抗匹配网络设计的任务是选择电路拓结构,设计并计算出相应元器件值! 阻抗匹配网络设计方式源阻抗-负载阻抗负载阻抗-源阻抗39Source impedance - conjugate complex load impedance2. Load impedance - conj

13、ugate complex source impedance40例题1: 已知: f=2GHz,ZT=150+j75 Ohm, ZA=75+j15 Ohm.设计L形匹配网络,使天线能够得到最大功率。解1: 解析法Zm=ZA*=75-j15 Ohm阻抗匹配网络设计方法解析法;Smith圆图法。4142解2: Smith圆图法Zm=ZA*=75-j15 Ohm, 设Zo= 75 Ohm1. 归一化阻抗; zm=zA*=1-j0.2, zT=2+j1, zA=1+j0.2求解步骤2. 在Smith圆图中画出过源阻抗点的等电阻圆和等电导圆; 433. 在Smith圆图中过负载阻抗的共轭复数点画出等电阻

14、圆和等电导圆; 4. 找出第二步和第三步所画圆的交点(交点个数确定了可能存在的L形匹配网络的数目);5. 先沿着相应的圆将源阻抗点移动到上述交点,然后再沿着相应的圆移动到负载阻抗的共轭复数点,根据这两次移动过程就能够求出电感和电容的归一化值;446. 根据给定的工作频率确定电感和电容的实际值.例题2: 已知: f=2GHz,ZS=50+j25 Ohm, ZL=25-j50 Ohm, Zo=50 Ohm. 用Smith圆图法设计L形匹配网络,并给出所有可能的电路结构.解:1. 归一化阻抗应用Smith圆图法2. 在Smith圆图中画出过源阻抗点和负载阻抗的共轭复数点的等电阻圆和等电导圆. 3.

15、找出交点个数,确定了可能存在的L形匹配网络的数目: 445阻抗匹配网络计算机辅助设计ADS, MWO,etc.46阻抗匹配思想47两个纯电阻之间的二元件L型匹配电路设计 将串联支路的Xs和RL变换为并联支路的Xsp和Rp后，再让Xsp和Xp在工作频率W0处并联谐振，Xp=Xsp，只剩下电阻Rp（Rp=Rs)RsRL条件在RsQe2）若若 匹配电路的带宽主要由源端的LC的Qe2确定（Qe2Qe1）50例题：设计一个型匹配电路，以完成源电阻Rs=150和负载电阻RL=75间的阻抗变换。工作频率f=900MHz，且该电路带宽要求为30MHz。解：由型匹配电路的3dB带宽确定该电路的最大有载Qe值由于该型匹配电路最大有载Qe值由源端的LC的Qe1确定由工作频率f=900MHz得到： L形阻抗匹配网络的频