50MHz分立LC匹配网络设计

燕山大学课程设计说明书题目：50MHz分立LC匹配网络设计学院（系）理学院年级专业：10级电子信息科学与技术学号：学生姓名：王春雨指导教师：徐天赋郭得峰教师职称：讲师讲师

燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：理学院基层教学单位：10电子信息科学与技术学号学生姓名王春雨专业（班级）10微波技术设计题目分立LC阻抗匹配网络ADS设计设计技术参数设计参数：分立LC元件；L型阻抗匹配网络；Zs=25-j*25OhmZl=100-j*15Ohm；频率50MHz；设计要求电路简单，有较高的可靠性；有比较理想的S参数；通过电路的设计，更好地理解匹配的原理；熟悉运用多种方式实现匹配；匹配实验具有可重复性。工作量两天选题；七天实验操作；两天完成实验论文的书写；一天进行检查和修饰；工作计划2013/10/22----2013/10/232013/10/24----2013/10/302013/10/31----2013/11/112013/11/11——2013/11/20实验选题实验操作实验论文论文检查和修饰参考资料[1]（美）波扎.微波工程2010.⑵冯新宇,车向前，穆秀春.ADS2009射频电路设计与仿真.电子工业出版社2010.黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用.人民邮电出版社2010.邱光源.电路（第四版）1999.指导教师签字基层教学单位主任签字50MHz分立LC匹配网络设计王春雨理学院10级电子信息科学与技术摘要：本文设计一个中心频率工作在80MHz，采纳分立LC元件的匹配网络。源阻抗Zs=25-j*25Ohm负载阻抗Zl=100-j*15Ohm，由于频率不高，分立器件的计生参数对整体性能的阻碍能够忽略不计。负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。这时在负载阻抗上能够取得最大功率，这种匹配条件称为共轭匹配。由于阻抗匹配涉及到功率的传输，因此阻抗匹配在高频电路中很经常使用，也很重要。关键字：分立LC元件；阻抗匹配；高频电路；功率传输ADSdiscreteLCimpedancematchingnetworkdesignChunyuWangElectronicInformationScienceandTechnologyClassOne，CollegeofScienceAbstract:Thisdesignoperatesatacenterfrequencyof80MHz,usingdiscreteLCmatchingnetworkcomponents.SourceimpedanceZs=25-j*25OhmloadimpedanceZl=100-j*15Ohm,sincethefrequencyisnothigh,discretedevicesIPPFparametersimpactontheoverallperformanceisnegligible.Loadthesourceimpedanceisequaltotheconjugatevalueoftheinternalimpedance,thatis,theyareequalandthemodulusandargumentofzero.Thenintheloadimpedancecanbeobtainedonthemaximumpower,thismatchingconditioniscalledconjugatematch.Sincetheimpedancematchinginvolvesthetransmissionofpower,sothatimpedancematchingiscommonlyusedinhigh-frequencycircuits,isalsoimportant.Keywords:discreteLC;Impedancematching;high-frequencycircuits;PowerTransmission一原理阻抗匹配(Impedancematching)。等于信源内阻抗，即它们的模与辐角别离相等，这时在负载阻抗上能够取得无失真的电压传输；负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零，这时在负载阻抗上能够取得最大功率，这种匹配条件称为共轭匹配。本文只涉及到共轭匹配。关于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在低频纯电阻电路中，当负载电阻等于鼓励源内阻时，那么输出功率为最大，这种工作状态就可称为匹配，在高频电路中，需要阻抗变换，使源和负载阻抗共轭，才能达到阻抗匹配状态。现在，阻抗匹配在高频电路和远距离输电线路中是一个重要课题。阻抗匹配是微波电子学里的一部份，要紧用于传输线上，来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，可不能有信号反射回来源点，从而提升能源效益。匹配网络的作用是把rout匹配到rin*。阻抗匹配直接阻碍到功率传输是效率，假设匹配到不到要求，不仅达不到所需的功率，而且可能会烧毁信号源或信号线。史密斯图表上。电容或与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿着代表实数电阻的圆圈走动。阻抗性能直接阻碍着整个电路的性能，在源给定的情形下，输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比3，当二者相等，即K=1时，输出功率最大。阻抗匹配的概念能够推行到路，当负载阻抗与信号源阻抗共轭时，能够实现功率的最大传输，若是负载阻抗不知足共轭匹配的条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络，将变换为信号源阻抗的共轭，实现阻抗匹配。一样来讲，阻抗匹配分为两类：一种是通过改变阻抗力(lumped-circuitmatching)，另一种那么是调整传输线的波长(transmissionlinematching)o一、改变阻抗力要匹配一组线路，第一把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。若是把电容或电感接地(即并联电容或电感)，第一图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。重复以上方式直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变成零完成匹配。二、调整传输线由负载点至来源点加长传输线，在图-1所示SmithChart上的点会沿著图中心以顺时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配。

图-1Smith匹配圆图阻抗匹配那么传输功率大，关于一个电源来讲，当它的内阻等于负载时，输出功率最大，现在阻抗匹配。，若是是高频的话，确实是无反射波。关于一般的宽频放大器，输出阻抗50Q，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是若是信号波久远远大于电缆长度，即缆长能够忽略的话，就不必考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特点阻抗相等，现在的传输可不能产生反射，这说明所有能量都被负载吸收了。反之那么在传输中有能量损失。高速PCB布线时，为了避免信号的反射，要求是线路的阻抗为50。这是个大约的数字，一样规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆,对绞线那么为100欧姆，只是取个整罢了，为了匹配方便。天线的阻抗也是天线的一个重要参数，天线的阻抗特性直接阻碍着天线的回波损耗的天线的带宽。匹配网络的回波损耗越小，说明反射的能量越小。一样要求在所需要的频带内S11达到-10dB以下，也确实是回波损耗在10dB以上。可是关于一些特殊的场合，需要设计匹配网络的回波损耗达到15dB以上。回波损耗概念为RL=-20log%(1)S=…(2)11气+Z0式中，孔是匹配网络的输入阻抗；Z0是特性阻抗，通常特性阻抗为50Ohm或75Ohm。什么是阻抗呢？阻抗从字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗字呢？简单地说，阻抗确实是电阻加电抗，因此才叫阻抗；通俗一点地说，阻抗确实是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小不同罢了。电阻小的物质称作良导体，电阻专门大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导体，那么是一种电阻值几近于零的东西。可是在交流电的领域中那么除电阻会阻碍电流之外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抗击电流的作用。电容及电感的电抗别离称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小那么和交流电的有关系，频率愈高那么容抗愈小感抗愈大，频率愈低那么容抗愈大而感抗愈小。另外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。电抗在交流电路中的作用，不单单是改变电流的大小，而且改变电压和电流的相位差。例如，纯对抗电路，电抗值用复数表示，实部为0，为纯虚数，求得的电流也是纯虚数，纯虚数代表什么呢？不代表电流是虚的，或是没有电流，而代表电流的相位和电压的相位相差90度，以电压为参考零相位。如此，咱们就更易明白得了虚数的概念。用复数代表电流，不仅表征了电流的大小，而且表征了电流相关于电压的相位关系。什么是特种阻抗呢？特性阻抗：又称“特点阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。在高频范围内，信号传输进程中，信号沿抵达的地址，信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的成立，会产生一个刹时电流，若是传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而若是信号的输出电平为V，在信号传输进程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I,把那个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。信号在传输的进程中，若是传输途径上的特性阻抗发生转变，信号就会在阻抗不持续的结点产生反射。阻碍特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。二操作步骤和仿真结果以下将设计一个中心频率工作在50M，分立LC元件搭接的阻抗匹配网络。信号源的阻抗Zs=25-j*25Ohm，负载阻抗Zl=100-j*15Ohm。采纳分立元件进行匹配，有利于咱们更透彻深切地明白得匹配原理，也有利于咱们更透彻地明白得特点阻抗的含义。具体操作步骤如下：一、新建ADS原理图文件新建一个Workspace，在技术选择界面如图-2选择单位为millimeter。在Workspace中新建一个Cell文件，在Cell文件中新建原理图文件。哩NewWorkspaceWizardChoaie期fsrthenewlibraryforthis;StandardADSLayers,0.0001milllayoutresolutionStandardADSLayers0.0001mrlllrmeterlayoutresolutionStardardADSLayers,0.001micronlayoutresolutionCustom[OpensTechnologydialog]图-2ADS技术选择界面二、设置S参数仿真操纵器本设计顶用到S参数仿真操纵器，因此需要插入如图3所示Sparameterso选择S_Prama操纵面板后，在原理图中插入两个端口，两个土和S仿真主控器，插入发S参数仿真操纵器如图4所示：

p:Lunped-ComporientsLunped-WjthArtworkSdiltcse-Controllad.3oui-csE-FrfinSdutcp:Lunped-ComporientsLunped-WjthArtworkSdiltcse-Controllad.3oui-csE-FrfinSdutcae-Nad,□Squi-cae-Nadulfl.1ad-IEP—Bd.SDurcsE-JraieSaiu-aqs~7idtieDomaitlSinijlati■:>r-IiCSinijlitiori~ACSinulatii>x(rSF-iron■Sinijliti■:-ri-}£E；■Sinijlati■:>n-IS3FSinijlation-IDE5inulati■:-rirliiwtloi'已[SiniiL-itiort-JrajisientEiniiLati■:'rirEatchSinulation-LoadFull-r-SHORTIMUTIMDLufired-ConipciiLen-l.3Nun>1Z=5J0tnSS^RAWEIERSPRL|PRLCSTtra-StirtnOGHi.^cp-IHC网Sup.勺GH4tssci_^3、设置端口阻抗双击Term端口，弹出设置对话框，别离把Terml设置成Z=25-j*25Ohm,Term2设置成Z=100-j*15Ohm。那个地址，Terml作为源，Term2作为负载；双击S参数仿真主控器，设置仿真起始频率、终止频率和步进，如图-5所示：Ternr■■■■ferm4Ternr■■■■ferm4.Nlum=4..Z=(100-i*15}OhmNum=3.Z=(25-j*25}Ohm/S-PARAMETERSS_ParamSP2StartsQGHjStop=01GHzStep=.DOWGHz图-5修改输入输出端阻图4、添加Smithchartmatching食，在元器件面板列表当选择“SmithChartMatching”，单击图标，在原理图里添加“DA_SmithChartMatching”控件，如图-6所示：

TermTemnlNum=1Z-(25-j*25)OhmDA_STermTemnlNum=1Z-(25-j*25)OhmDA_SmithCharttlatQh1_fenlipi.pe\2DA_5mithChartMatGh1TermTerm2Num=2■S_P?ramSP1...St3r>0GHz..Stop=01GHzStep=t)010GHz图-6插入Smithchart控件5、5、DA_SmithChartMatching控件如图-7所示:SelectParameterFp=50MHz-如图-7所示:SelectParameterFp=50MHz-S-o-urceType=ComplexImpedanceS-o-urceEnable=TrueFRg=50OhmLg=1nHCg=LpFZg=(25-j*25]ChmS-o-urceFile="ZSource.snp'1So-urceFiIeSparm=''S(11]*■EquationIditor...Tune/Opt/Stat/DOESetup...Dizplaypar：=unetercmschefniticCiTTipiTientL>ptiqil^...双击DA_SmithChartMatching控件，设置控件的相关参数，Z.v--SmithChartMatchingNetworksM7L1brib:DA_SmiIhChartMatchl_EsrilLpipeiInstanceHmme(name[start：ztop)DA._SmitliChartMa.tchiFp:MatchFrequencyOKC==LTLcelTiesetHelp在图-7里，关键的设置有，Fp=50MHz,SourceType=ComplexImpedence,Sourceenable=True,源阻抗Zg=(25-j*25)Ohm,负载阻抗Zl=(100-j*15)Ohm,其他参数选用默许值。在本实例里，匹配网络的作用是把rout匹配到rin*，也确实是把负载阻抗Zl=(100-j*15)Ohm匹配到源阻抗的共轭Zg*=(25-j*25)Ohm。匹配网络框图6、利用SmithChart工具在原理图设计窗口中，执行菜单命令【Tool】一【SmithChart】，弹出“SmartComponentSync"对话框，选择“UpdateSmartComponentfromsmithChartUility"选项后，单击【OK】按钮，“弹出SmithChartUility”对话框，如图-9所示。UpdateSmartComponentfromsmithChartUility的作用是smithChartUility参数更新时，SmartComponent控件参数也更新，即在SmithChart原图窗口进行的操作产生的数据会更新到SmartComponent控件。SmithChartUility参数设置需要设置Frequent和Z0，那个地址需要设置Freq=，Z0=50Ohm。单击【Dfine

Source/LoadNetworkTermination】按钮，弹出“NetworkTermination”对话框，图-10所示：图-9"SmithChartUility”对话框在图-10中，需要把“EnableSourceTermination”和“EnableLoadTermination”的选项勾选上，他们是为了配合DA_SmithChartMatching控件对话框的“SmithChartMatchingNetwork”对话框"SourceEnable=True”和“LoadEnable=True”，如此在DA_SmithChartMatching控件对话框里面设置的源和负载阻抗直接导入“NetworkTermination”对话框。设置完成后依次单击【Apply】和【OK】按钮，能够看到（小圆标记）和负载（方形标记）阻抗点都显示在Smith原图上了，如图-11所示：图-11加入源和负载阻抗的SmithChartMatching八、手动匹配进程单击*（并联电阻）后，将鼠标放在圆图上，能够看到匹配的轨迹，然后再单击二j（串联电容），负载的阻抗即匹配到了源阻抗的共轭。匹配轨迹图如图-12所示：能够查看匹配电单击【BuildADSCircuit】按钮，即可生成相应的电路。单击路，如图-13所示：能够查看匹配电*：SfFrthChartUtiriypicidrt垩z£>rdwHrp-二询g圈密嚣A；眺不xFr”l：m：!ZU([OnijflK5=1[V'JttvwJiieE[E■Tapicidrt垩z£>rdwHrp-二询g圈密嚣A；眺不xFr”l：m：!ZU([OnijflK5=1[V'JttvwJiieE[E■TaLXiiTSt:汩EmuSr归J颂HbGtiUiMiirljLI：爪4场第-1I^Ejm5turuiJL?fedHiLi«rkTanjjllLjicu...丁一.Vl—1=DiliLaEil^EtidCnjcuxtF3iADi_EkiLI.l..YbLm：BcuL-1USCltoji.L|AsLp2-£luuitIlSch1<“L图-12匹配进程Paranneter5="#50MHz#B#1#5Q0hm#1十.P1.-Num-1■OL1L=S2.025389nFft=le-1'2Ohm_・qr，~v^-OP2Nurn=2单击’按钮，进行仿真，结果如图-14所示:-6.87.0-ReverseTransmission,dB■6.0■6.2-■B.4--6.6-6.87.0-ReverseTransmission,dB■6.0■6.2-■B.4--6.6-T.i'iiiiii0K2D304Q50007C8090100腌q：MHz图-14仿真S参数结果从图中能够看出，S11和S12曲线趋势知足要求，可是S12曲线的峰值只有，不能知足工程需要。从SmithChart圆图上面看，尽管负载阻抗匹配到了源阻抗的共轭，可是不能知足工程需求。10、采纳第二种匹配方式单击丁（并联电容）后，将鼠标放在圆图上，能够看到匹配的轨迹，然后再单击、（串联电容），负载的阻抗即匹配到了源阻抗的共轭。匹配轨迹图如图-15所示。单击【BuildADSCircuit】按钮，即可生成相应的电路。单击〜能够查看匹配电路，如图-16所示：

图15匹配进程P1Num图15匹配进程P1Num=1<z>-L1L=217.433458nHR=ie-12Ohm__.P2'Num=2C01C二50852754pF单击按钮，进行仿真，结果如图-17所示:■-：fisq.MFzK」kJo?)CDp*峋MHz:■-：fisq.MFzK」kJo?)CDp*峋MHz:图-14仿真S参数结果从图中能够地看出，反射系数和传输系数在59MHz频率处都很理想。匹配也能够采纳并联短路电感串联电容的方式，如图a所示：

图a并联短路电感串联电容的方式匹配途径■p1cTOC\o"1-5"\h\zNum=1C1C=167.638766pF.t)I_TY一~~)■■P2■'jl•Num=25L