射频电路设计(RF-Circuit-design)

RFCircuitDesign:

TheoryandApplication福州大学通信工程系许志猛TOPIC4Smith圆图and主要内容Smith圆图阻抗圆图导纳圆图圆图的应用射频微波网络参数TOPIC4-1史密斯（Smith）圆图

Smith圆图阻抗与反射系数是传输线上两个重要的电特性参数。数学公式上的联系可以简化为图解法。史密斯圆图是将归一化阻抗（z=r+jx）的复数半平面（r>0）变换到反射系数为1的单位圆（|Γ|=1）内。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。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。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。HowSmithchartisgenerated:LetMatchingtherealandimaginarypartsof(1):ConstantRe[ZL]circles:center(r/(r+1),0),radius1/(r+1)ConstantIm[ZL]circles:center(1,1/x),radius1/xSmithChart1史密斯圆图的产生等电阻圆等电抗圆SmithChart2||Zir+jx-jxrref：SMITH_CHART.mpgConstantRe[ZL]circlesConstantIm[ZL]circlescomplexGplane1-1j-j|G|=1SmithChart3等电阻圆等电抗圆SmithChart4+jx-jxr=0r=1r=0.5r=2r=∞x=-1x=-2x=-0.5x=1x=0.5x=2|Γ|=0.5|Γ|=0.1|Γ|=1设计工具：

smithchart.mcdSmithChart5阻抗导纳圆图（ZY-圆图）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。阻抗圆图是大家所熟悉的（如图示），导纳原图是怎样呢？SmithChart5-1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λ/4距离），得到Q点。由于P、Q两点相距λ/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SmithChart5-2因此求P点的导纳，只需将P点在阻抗圆图上沿等|Γ|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。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，将阻抗圆图转180度即得导纳圆图，如下图所示。SmithChart5-3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。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。所以导纳圆图的下半圆电纳为正，上半圆的电纳为负。将阻抗圆图和导纳圆图叠加，得到如下图所示的ZY-圆图。SmithChart5-4SmithChart6+jx-jx+jb-jbInductiveCapacitiver=0g=r=g=0Smith圆图应用举例求反射系数传输线Zo=50Ω，终端接不同负载阻抗短路线开路线ZL=50Ω参见P67例题3.1——〉——〉Smith圆图应用举例求端接负载传输线的输入阻抗ZL＝(30＋j60)Ω与长为2cm的50Ω传输线相连，工作频率为2GHz，相速度是光速50％，求输入阻抗。当d=2cm，——〉顺时针旋转191.99度参见P68例题3.2βd称为传输线的电长度SmithChart7ZsZL设计工具：winsmith.exeSmithChart8Zo=50Zo=75ZLZs设计工具：SmithV2.00winsmith.exe与并联传输线长度有关圆心SmithChart9

射频

操1.串电感4.並电容2.串电容5.串传输线3.並电感射频

操设计工具:winSMITH®winSMITH®是由EaglewareCorporation所开发的软件，可向NoblePublishing(NP-5)购买(US$79.00)。设计工具:SmithV2.0®Smith圆图应用举例求复杂网络的输入阻抗应用ZY圆图使用圆图软件TOPIC4-2射频/微波网络参数微波网络理论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”低频电路端口以电压电流表示，对应网络参量：Z、Y、H和A参量可以直接推广到高频电路领域，但测量不易频率升高到射频界限，终端的寄生效应不能忽略H参量Y参量Z参量二端口网络网络参量A参量各网络参量的定义H参量矩阵的物理意义为[Z]参量矩阵的物理意义为散射参量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：短路电感开路电容射频电路端口以反射波和入射波表示，对应网络参量：散射参量(S参数)链形散射矩阵(T参数)散射参量（S参数）及其定义2-PortNetworka1a2ZLb1b2ZsVgS参数22122111log20log20log20/log20SORLSIsolationSLossGainSIRL====[b]=[S][a]对一个二端口网络：b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2ai、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S21--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(T参数)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：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T形接头匹配负载网络分析仪入射波传输波反射波S11＝S21＝A/RB/R各网络参量的应用射频/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，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。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。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。网络级联网络交叉连接各网络参量的应用网络串连时，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。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。网络串联网络并联各参量之间的转换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]。考虑归一化参数：[z]＝[Z]/Z0，[y]＝[Y]/Y0a11＝A11，a12＝A12/Z0，a21＝A21/Y0，a22＝A22根据定义，可以实现不同参量之间的转换