射频电路中匹配网络的设计和分析

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1、万方数据第31卷第6期2007年12月武汉理工大学学报(鹜望霾差)JournalofWuhanUniversityofTechnology(TransportationScience&Engineering)V01．31No．6Dec．2007射频电路中匹配网络的设计和分析*黄秋元董诗波(武汉理工大学信息工程学院武汉430070)摘要：射频电路的设计方法和低频电路的分析方法截然不同．文中从阻抗匹配的角度，介绍了传输线的基本理论，以GSM光纤直放站射频光收发模块中射频输入端到激光器的电路为例，用Smith圆图作为工具进行了匹配网络的设计和分析．结果表明，合理的匹配网络设计可

2、以有效减少信号反射干扰，提高信号传输效率．关键词：特征阻抗；阻抗匹配；Smith圆图}电压驻波比中图法分类号：TP31要实现功率高效率的传输，电路设计中必须尽可能实现负载阻抗和源阻抗的匹配．为了保证信号最大效率的传输，需做到两个方面：(1)源阻抗和负载阻抗的匹配；(2)电路中阻抗的连续性．1阻抗匹配的理论基础当波长与电路中分立元件几何尺寸相比拟时，必须采用分立电路表示法对电路进行分析[i-3]．在阻抗匹配问题中，最关键的传输线参数为特征阻抗Z。．传输线特征阻抗的一般表达式z。一√锌器(1)在实际电路中，传输线带来的损耗(R，G)往往可以忽略不计，令R=G=0得到特征阻抗的

3、简化形式，

4、Lzc2√虿(2)电路设计中，当PCB板中导线厚度t和基片厚度h相比可以忽略时，利用线路尺寸(线宽仞与五)和介电常数￡f，可以得到微带线特征阻抗的经验式．当w／hl时(3)磊2忑忑iF再丽444))√￡eff(1．393+詈+号ln(詈+1．￡eff一半十字[(+iZh训)11_l／2]￡eff一—厂十—FL(十7，f⋯j-口～(4)式中：723为导体线宽；￡础为有效介电常数；Zf为自由空间波阻抗，Zf=376．8Q．由于电路中阻抗失配造成

5、的直接后果，就是信号的反射．所以，用反射系数来衡量线路的匹配程度肛翳(5)在阻抗匹配的情况下，反射系数为零．但是在实际工程中，往往用电压驻波比(VSWR)来观测电路的匹配状况¨51．电路中的电压是入射量和反射量之和，电压驻波比定义为最大电压与最小电压之比收稿日期：2007—06—09黄秋元：男，40岁，副教授．主要研究领域为高速数字电路与光纤通信。湖北省自然科学基金项目资助(批准号：2004ABA045)万方数据·1062·武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2007年第3l卷ySW尺一制=芒爿2匹配网络的设计与分析(6)的共轭zf相匹配·韬ESmith圆图上标出zl-7

6、ZI"，并画出等阻抗圆和等电导圆，如图1所示．从图1中，可以分别得到设定GSM直放站的光收发模块中心频率为900MHz，这里以射频信号输入端到激光器的电路为例．该PCB板厚度为1．2mm，介质为FR一4，介电常数为4。7F／m。模块输入阻抗为50Q．首先需要设计的是一定宽度的特征阻抗为500的传输线，经过分析和计算，此例只能采用式(4)，进行线路设计．将参数代入公式，过程如下50一瓦磊孝知ce“=掣+竿[(1一十12警严]ceH2——i一十——F—LL十lz==J⋯J_一(7)解方程组(7)，可以得出‰一3．1，Zt．／一---22mm．实现阻抗的连续连接，关键是实现负载

7、(LD)和输入阻抗的匹配．为了降低分析设计的复杂性，并考虑布板空间限制的因素，此例采用无源匹配网络，而不采用微带短线实现阻抗的转换．以下采用Smith圆图进行分析．输入900MHz的信号时，激光器LD的输入阻抗为Zm=20—j83．80．信号由SMA头引入，金属引线长度约为8mm。所以导线电感约为4．3nil，输入阻抗为Z。一50+j24．3Q．鉴于布板空间，用Smith圆图设计L型匹配网络．首先得到归一化阻抗为Z．一Zi。／zo=l+j0．49挑=0．8一jO．4ZI----ZLD／Zo一0．4-j1．8yl=0．14一j0．57由于在最佳传输效率时，源阻抗与负载阻抗图

8、1利用Smith圆圈进行匹配网络设计Z^=O．4十jo．6；ya-----0．8一j1．2ZB=0．4一j0．6；)恤一0．8+j1．2磊=1+j2．46；如一0．14-jo．35ZD=1--j2．46；咖=0．14+jo．35可根据图1中不同的匹配路径，经计算得出4种不同的匹配网络，如图2所示．r确‰r离配∥啊‰上毒上一6．3nH≥44珂．2nH‰由五0‰毒上工d)经D点图2由不同路径得到的匹配网络历t，=899MHzS(1．1)=0．050／-52．3t0impcda,ec=Zo(1．059一j0．083)／≤?jI’一了