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1、射射频技技术阻抗阻抗变换与与匹配匹配第1页，共37页，编辑于2022年，星期六等电阻圆等电阻圆第2页，共37页，编辑于2022年，星期六等电抗圆等电抗圆第3页，共37页，编辑于2022年，星期六阻抗的表达阻抗的表达第4页，共37页，编辑于2022年，星期六二、二、L形集总元件匹配网络形集总元件匹配网络形式形式*射频电路设计射频电路设计p271第5页，共37页，编辑于2022年，星期六 已已知知源源阻阻抗抗ZS（50+j25),负负载载阻阻抗抗ZL（25j50),传传输输线线的的特特征征阻阻抗抗50,工工作作频频率率 2GHz。设设计计一一L形匹配网络。形匹配网络。解：解：1.归一化源和负载阻抗
2、（或导纳）分别为：归一化源和负载阻抗（或导纳）分别为：2.画等电阻圆和等电导圆画等电阻圆和等电导圆第6页，共37页，编辑于2022年，星期六3.四个交点（记为四个交点（记为ABCD）分别为）分别为共有四条移动路径：共有四条移动路径：第7页，共37页，编辑于2022年，星期六4.计算电抗值：计算电抗值：以以 为例：为例：从从ZS移动到移动到A，要并联电纳值为，要并联电纳值为-j0.6,在在2GHz处等价电感值为处等价电感值为再从再从A移动到移动到ZL*，要串联电导值为，要串联电导值为j0.4,在在2GHz处等价电感值为处等价电感值为四条移动路径对应四种电路形式：四条移动路径对应四种电路形式：第8
3、页，共37页，编辑于2022年，星期六例：利用例：利用SMITHSMITH图阻抗匹配图阻抗匹配一般程序一般程序*射频电路设计射频电路设计p271源和负载阻抗归一化源和负载阻抗归一化在在Smith图上作过源阻抗的等电图上作过源阻抗的等电阻圆和等电导圆阻圆和等电导圆在在Smith图图上上作作过过负负载载的的共共轭轭阻阻抗抗的等电阻圆和等电导圆的等电阻圆和等电导圆找找出出上上述述圆圆的的交交点点，并并从从源源阻阻抗抗先先移移动动到到交交点点，再再移移动动到到负负载载的的共共轭轭阻阻抗抗。根根据据移移动动过过程程求求电电感感和和电电容容的的归归一一化化值值，并并得到电路形式。得到电路形式。第9页，共3
4、7页，编辑于2022年，星期六四条移动路径对应四种电路及参数如下：四条移动路径对应四种电路及参数如下：第10页，共37页，编辑于2022年，星期六第11页，共37页，编辑于2022年，星期六三、单短截线匹配电路三、单短截线匹配电路(a)并联短截线并联短截线(b)串联短截线串联短截线基本电路形式基本电路形式基本思路：负载经一段长为基本思路：负载经一段长为d的的传输线，阻抗变换到实部为特征传输线，阻抗变换到实部为特征阻抗，再并（或串）一共轭电抗，阻抗，再并（或串）一共轭电抗，抵消虚部，则在端口与特征阻抗抵消虚部，则在端口与特征阻抗完全匹配。完全匹配。第12页，共37页，编辑于2022年，星期六例例
5、 *微波工程微波工程p196将负载阻抗将负载阻抗ZL60-j80用用单短截线并联匹配电路匹单短截线并联匹配电路匹配到配到50特征阻抗上。特征阻抗上。解解1.阻抗归一化：阻抗归一化：见图。见图。2.求求YL沿等驻波比圆（等反沿等驻波比圆（等反 射系数圆）和等阻抗圆射系数圆）和等阻抗圆(?)的交点，的交点，见图上见图上y1、y2。第13页，共37页，编辑于2022年，星期六并由图读出相应电纳和移动电长度。并由图读出相应电纳和移动电长度。3.求并联短截线长度求并联短截线长度 由上述值知，对于由上述值知，对于y1应当并联电纳为应当并联电纳为-j1.47的短截线。对于的短截线。对于y2应当并联电纳为应当
6、并联电纳为j1.47的短截线。的短截线。假设选择终端短路形短截线，则从短路点（假设选择终端短路形短截线，则从短路点（y=）沿外沿向）沿外沿向着信号源方向移动到着信号源方向移动到-j1.47，相应移动的长度，相应移动的长度 同理，移动到同理，移动到j1.47时移动的长度时移动的长度第14页，共37页，编辑于2022年，星期六3.频率依赖性频率依赖性以以2GHz为中心频率为中心频率第15页，共37页，编辑于2022年，星期六*串联短截线的实例可参考串联短截线的实例可参考微波微波工程工程p199-201.第16页，共37页，编辑于2022年，星期六例例 *射频电路设计射频电路设计p291将负载阻抗将
7、负载阻抗ZL60-j45用单短截线并联匹配电路变换到用单短截线并联匹配电路变换到Zin75+j90,微带线特征阻抗选择微带线特征阻抗选择75.解解1.阻抗归一化：阻抗归一化：2.求求YL沿等电导圆和沿等电导圆和Zin的等反射系数圆的交点，见图上的等反射系数圆的交点，见图上A、B，并由图读出相应阻抗导纳。，并由图读出相应阻抗导纳。第17页，共37页，编辑于2022年，星期六第18页，共37页，编辑于2022年，星期六3.计算各段微带线长度计算各段微带线长度I)首先并联一短截线。并联电纳为首先并联一短截线。并联电纳为 假设选择终端开路形短截线，则从开路点（假设选择终端开路形短截线，则从开路点（y=
8、）沿外沿）沿外沿移动到移动到j0.45（或（或Zj2.222)，相应移动的长度，相应移动的长度II)由由A到到B的微带线长度直接从圆图外圆上的微带线长度直接从圆图外圆上A、B的差值读出。的差值读出。若选择先从若选择先从ZL移动到移动到A，再移动到，再移动到Zin的移动路径。的移动路径。第19页，共37页，编辑于2022年，星期六*双短截线匹配网络双短截线匹配网络射频电路设计射频电路设计p2941.电路形式电路形式其中，其中，l1、l2、l3通常取通常取/8或或3/8.而而 ls1、ls2要通过计要通过计算求解。算求解。第20页，共37页，编辑于2022年，星期六第21页，共37页，编辑于202
9、2年，星期六l1取取/8，l2、l3取取3/8，从从50+j50匹匹配配到到50 的过程。的过程。第22页，共37页，编辑于2022年，星期六四、四分之一波长变换器四、四分之一波长变换器4形式形式匹配段阻抗要求匹配段阻抗要求简单而有用；窄带电路；只能匹配实数负载；简单而有用；窄带电路；只能匹配实数负载；第23页，共37页，编辑于2022年，星期六反射系数反射系数可利用多次反射理论可利用多次反射理论或加载微带的阻抗变或加载微带的阻抗变化公式计算反射系数。化公式计算反射系数。例如：例如：1050匹配匹配,驻波比驻波比1.5(S11-14dB)时相对带宽时相对带宽29%.第24页，共37页，编辑于2
10、022年，星期六五、多节匹配变换器五、多节匹配变换器形式形式 假假定定所所有有支支节节阻阻抗抗单单调调变变化化，则则根根据据小小反反射射理理论论，总总是是能能通通过过恰恰当当地地选选择择反反射射系系数数，并并用用足足够够多多的的节节数数来综合作为频率函数的反射系数响应。来综合作为频率函数的反射系数响应。第25页，共37页，编辑于2022年，星期六二项式多节匹配变换器二项式多节匹配变换器*微波工程微波工程p211 重要的设计公式重要的设计公式常数常数可容忍的最大可容忍的最大反射系数反射系数相对带宽相对带宽第26页，共37页，编辑于2022年，星期六二项式变换器设计表格二项式变换器设计表格通通常常
11、最最终终目目标标是是实实现现低低反反射射宽宽带带匹匹配配，首首先先试试选选择择阶阶数数N N，计计算算常常数数A A，并并由由容容忍忍的的最最大大反反射射系系数数计计算算带带宽宽是是否否满满足足要求。如不能，则增加阶数重作上述步骤。要求。如不能，则增加阶数重作上述步骤。第27页，共37页，编辑于2022年，星期六例例计算三节二项式变换器，匹配计算三节二项式变换器，匹配50的负载到的负载到100传输传输线。计算线。计算m=0.05时带宽。时带宽。解：解：如如果果上上述述指指标标满满足足要要求求，查查表表（N3,ZLZ02,注注意意取取50为特征阻抗）得为特征阻抗）得Z1Z2Z31.0971.41
12、421.8337第28页，共37页，编辑于2022年，星期六利用工具计算微带线宽度和长度：利用工具计算微带线宽度和长度：z0z1z2z3z45054.8570.7191.69100W(mm)1.861.590.960.520.40L(mm)20.7721.2321.69基基 片片：FR4，介介 电电 常常 数数：4.4，厚厚 度度：1mm，金金属属厚厚度度0.038mm。中心频率。中心频率2GHz。第29页，共37页，编辑于2022年，星期六验证模型：验证模型：第30页，共37页，编辑于2022年，星期六切比雪夫多节匹配变换器切比雪夫多节匹配变换器第31页，共37页，编辑于2022年，星期六理
13、想最平坦和切比雪夫多节匹配变换器的特性理想最平坦和切比雪夫多节匹配变换器的特性第32页，共37页，编辑于2022年，星期六五、渐变线五、渐变线指数渐变线指数渐变线阻抗变化特性阻抗变化特性反射特性反射特性第33页，共37页，编辑于2022年，星期六三角渐变线三角渐变线阻抗变化特性阻抗变化特性反射特性反射特性第34页，共37页，编辑于2022年，星期六Klopfenstein渐变线渐变线阻抗变化特性阻抗变化特性通带内最大波纹通带内最大波纹第35页，共37页，编辑于2022年，星期六渐变线对比渐变线对比第36页，共37页，编辑于2022年，星期六 课堂作业课堂作业 设设计计四四分分之之一一波波长长微微带带阻阻抗抗变变换换器器，在在1GHz附附近近实实现现50 和和10 微微带带的的阻阻抗抗变变换换。其其中中微微带带线线设设计计选选择择为为在在0.5mm厚厚的的介介质质基基片片Rogers 5880上上的的微微带带线线，传传播播常常数数为为28.65弧弧度度/米米 1GHz（这这里里假假设设不不同同阻阻抗抗的微带有同样的传播常数）。的微带有同样的传播常数）。参考参考p23第37页，共37页，编辑于2022年，星期六