射频电路中匹配网络的设计和分析

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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得到特征阻抗的简化形式，|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-7ZI"，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(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≥／·、jI{}t二．≤：／(?00MKz—l000GHz)a)未加匹配网络VSMR(1．5f；899MHzS(1．1)-0，728／一75．952Imped”ce=z。(O．400一jL200)厂。。j■沁?、，、、一／'(700MHz一1000GHz)b)加入匹配网络后VSMR<1．3图3Smith圆图观察电压驻波比膈}ji吖m盯觚眦喂瞩黧I篇置_||I王甲一I—l一叩～l—li|_一 万方数据第6期黄秋元，等：射频电路中匹配网络的设计和分析·1063·由于在实际应用中，必须综合考虑匹配网络的频率响应，所以最终选用图2C)作为匹配网络；考虑到传输线的分布参数以及焊接中焊盘焊锡等多种因素，实际选取的元件值和理论上计算的数值还是存在很大差异．最后用网络分析仪测试，未加入匹配网络和加入匹配网络后的Smith圆图所示的电压驻波比，如图3所示．观察图中曲线的变化，在采用传输线设计50Q传输线的基础上，加入L型匹配网络后，电压驻波比在带宽内由小于1．5：1，改善至小于1．3；1，使电路的该项指标得到了优化，达到了阻抗匹配网络设计的目的．3结论1)离散参数法是进行传输线的设计，实现电路的阻抗连续的重要理论依据和分析方法．2)依据电路具体情况，采用合理的匹配网络，可有效改善电压驻波比，提高电路传输效率，改善电路性能．3)Smith圆图是进行匹配网络设计的重要工具，使用方便，结果准确．参考文献[1]ReinholdLudwig．PavelBretchko．射频电路设计——理论与应用．王子字，张肇仪，徐承和，译．北京：电子工业出版社，2004[2]MankuanVai，SheitaPrasad．Computer—aidedmi—crowavecircuitanalysisbyacomputerizednumeri—calsmithchart．MicrowaveandGuidedWaveLet—ters．IEEEseealsoIEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters，1992，2(7)：294—296i-3-1陈伟，姚天任，黄秋元．基于信号完整性的PCB仿真设计与分析研究．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2005，29(2)：273—276E43范寿康，卢春兰，李平辉．微渡技术与微波电路，j匕京：机械工业出版社，2003E5]SunY．FidlerJK．Practicalconsiderationsofimpedancematchingnetworkdesign．HFRadioSystemsandTechniques．SixthInternationalCon—ierence，1994(4—7)：229．233DesignandAnalysisofImpedanceMatchingNetworkofRadioFrequencyCircuitHuangQiuyuanDongShibo(SchoolofInformationEngineering，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070)AbstractThecircuitdesignofradiofrequencyisdifferentfromthecircuitoflowfrequency．Thispaperisfocusedontheimpedancematchingoftheradiofrequencycircuitandintroducedthebasictheoryoftransmissionline．AimpedancematchingnetworkinafibertransceiverusedinGSMfiberrepeaterisdesignedandanalysedbymeansofSmithchart．Keywords：characteristicimpedance；impedancematching；Smithchart；VSWR 射频电路中匹配网络的设计和分析作者：黄秋元，董诗波，HuangQiuyuan，DongShibo作者单位：武汉理工大学信息工程学院,武汉,430070刊名：武汉理工大学学报（交通科学与工程版）英文刊名：JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(TRANSPORTATIONSCIENCE&ENGINEERING)年，卷(期)：2007，31(6)引用次数：1次参考文献(5条)1.ReinholdLudwig.PavelBretchko.王子宇.张肇仪.徐承和射频电路设计--理论与应用20042.MankuanVai.SheilaPrasadComputer-aidedmicrowavecircuitanalysisbyacomputerizednumericalsmithchart.MicrowaveandGuidedWaveLetters1992(07)3.陈伟.姚天任.黄秋元基于信号完整性的PCB仿真设计与分析研究[期刊论文]-武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2005(02)4.范寿康.卢春兰.李平辉微波技术与微波电路20035.SunY.FidlerJKPracticalconsiderationsofimpedancematchingnetworkdesign.HFRadioSystemsandTechniques1994相似文献(10条)1.会议论文徐立.张冶文复合左右手传输线的阻抗匹配问题2007通过对复合左右手传输线(CRLHTL)的等效特征阻抗进行理论分析和仿真,证明了在通带内等效特征阻抗为正实数,阻带内等效特征阻抗为纯虚数,并通过理论和实验讨论了不同L-C值对复合左右手传输线特征阻抗的影响。2.学位论文李章军仿生物组织材料的超声特征阻抗测量仪研究2009本文对仿生物组织材料的超声特征阻抗测量进行研究。随着科学技术的发展，超声波无论在医学领域，还是在工业领域中均有着广泛的应用。目前制约超声波技术发展的一个重要因素在于超声探头的设计。超声阻抗匹配问题使超声波信号衰减大，导致超声波发射和接收信号不理想。根据声阻抗等于密度和声速的乘积，本文通过测量仿生物组织材料的密度和超声波传播速度得到材料的声阻抗，为超声阻抗匹配和超声探头材料的选择提供理论依据。在设计中，主要采用51单片机进行时序控制和数据处理，包括密度测量中模拟数字转换的时钟信号，3M超声波探头发射的脉冲和控制信号，接收超声波的同步信号和液晶显示控制信号。超声波回波信号经过有效的隔离级后，运用LMH6624运算放大器进行高增益放大。滤波电路可以提高信噪比，但同时对信号幅度有一定的衰减。判断超声波回波是否有效需要检波电路来实现，通过阈值检波明确超声波在介质中传播的时间。测量结果由LCD进行直观显示。3.期刊论文王亚平.蔡勖.WANGYa-ping.CAIXuALICE实验中同轴电缆的信号传输特性的研究-核电子学与探测技术2006,26(2)在ALICE实验中,将大量采用同轴电缆作为信号传输线.采用分布参数电路理论,对同轴电缆的信号传输特性进行了分析.同时,从同轴电缆的特征阻抗、反射波损耗、阻抗匹配这三个特性进行分析,探讨了在ALICE实验中如何保证实验数据在传输中的精确性,并提出了一些技术上的建议.4.期刊论文温国忠.唐建东.WENGuozhong.TANGJiandong传输线的阻抗控制-现代电子技术2006,29(10)阐述了传输线特征阻抗的物理含义,介绍了2种传输线阻抗计算的经验公式,在此基础上讨论了影响传输线阻抗控制的主要因素.重点分析了当光发射模块的驱动器芯片和激光器之间的传输线阻抗不匹配时对信号眼图的影响及其改进情况,并进一步从PCB板上电路的工艺设计来解决传输线的阻抗控制问题.5.学位论文李国治八通道微波滤波器的研究2003在研究了国内外微波滤波器的最新动态,综合大量相关文献,分析了各种微波滤波器特点的基础上,结合我所的实际情况,着重研究了抽头式梳状线滤波器以及微波开关控制电路的工作机理,设计了符合要求的八通道微波滤波器.以平行耦合线模型为基础,应用前人的设计方法,并不能完全满足自己的设计需要,特别是对滤波器的尺寸要求,因此在结构上做出了重大改进,提出了以抽头式为输入输出的结构,使得首尾两个谐振器的尺寸与其它谐振器的尺寸相近,更宜于加工.同时对梳状线之间的耦合方式重新设计,提出了以圆杆为内导体,导体间以开窗的方式来控制耦合的强弱,由此推导出窗耦合的设计方法,达到了减小滤波器横向尺寸的目的.研究了单刀单掷开关电路,以此改进为单刀多掷,用来控制微波信号在八个通道中的切换.在设计中,通过对匹配阻抗和直流电源开关对微波信号影响的研究,设计了合理的微带线参数,包括微带线的特征阻抗,微带线的线宽以及线长等,同时设计了用于隔离直流电源开关产生的高次谐波的带通滤波器参数,完成了一套微波控制信号的设计方法.6.期刊论文雷熠炤.舒娜.张云麟.LEIYi-zhao.SHUNa.ZHANGYun-lin信令分析设备无源高阻适配器的设计-重庆邮电学院学报（自然科学版）2005,17(3)信令分析仪采用高阻抗跨接方式接入承载信令链路的2048kbit/s接口电路,可以保证信令仪在长距离监视设备中准确无误地接收到2个方向的信息,而且不影响链路的正常工作.给出了无源高阻适配器的设计方案,并在理论与实际上分析验证了其可行性,有助于从事程控交换的工作者形成可操作的数学模型.7.学位论文刘汉斐自动阻抗匹配器硬件系统的研制及相关特性的研究2008在射频系统中常用传输线来连接射频源和负载。为了实现传输功率的最大化和减少功率反射，要求源的输出阻抗等于传输线的特征阻抗且负载阻抗等于传输线特征阻抗。在实际应用中，前者条件比较容易，而后者条件因为负载在工作条件下是随时间和工作环境而动态变化的，因此负载一般不能与 传输线特征阻抗相一致。自动阻抗匹配器实现将实时变化的负载阻抗变换到与射频源阻抗一致。自动阻抗匹配器是射频系统，特别是感应耦合等离子体系统(ICPS)中非常重要的组成部分。研制出自动阻抗匹配器可以填补国内空白。本论文的工作主要体现在以下几个方面：1.本文对Γ型匹配网络和π型网络的阻抗匹配范围做了分析；为了直观了解阻抗变换过程，我们引入了Smith圆图：并对如何从反射系数反演负载阻抗进行了理论推导。2.研制了一套基于ARM微处理器的自动阻抗匹配器硬件系统。提供LCD显示和键盘输入人机界面；能够采集和处理实时功率信号；应用数字PID算法控制电机调节阻抗匹配网络参数。3.对研制自动阻抗匹配器样机过程中遇到的问题提出了改进方案。改进的工作主要体现在反射系数的检测电路方面。4.使用自动阻抗匹配器样机对于不同负载扫描得到反射系数模与匹配网络元件参数关系的曲面。对扫描曲面进行了分析，并在此基础上对两种匹配算法进行了仿真。8.期刊论文黄乘顺.李星亮.蔡益宇.HUANGCheng-shun.LIXing-liang.CAIYi-yu传输线阻抗匹配模型及精确计算-通信技术2007,40(11)介绍了传输线阻抗匹配的数学物理模型,其中包括微带多容性负载的阻抗匹配模型,并给出了相应模型的阻抗计算公式.提出了一种新颖的、精确的阻抗测试方法,即用场提取的方式测试特征阻抗.文中对传输线阻抗匹配模型进行了研究,对使用计算机辅助设计技术进行特征阻抗的精确计算与实时分析.9.期刊论文李波.周洪.黄光速.LIBo.ZHOUHong.HuangGuang-su声阻抗梯度渐进的高分子微粒吸声材料-高分子材料科学与工程2006,22(3)吸声材料的表面阻抗是影响材料吸声性能的主要因素之一,受到材料的特征阻抗和厚度的影响.对于特定厚度的吸声材料,要获得优异的吸声性能必须是材料的表面阻抗大小适宜.文中从阻抗匹配的角度出发,分别选用具有不同特征阻抗的高分子微粒材料作为声波匹配层和声能耗散层,构筑一种特性阻抗呈梯度变化的高分子微粒梯度吸声材料.通过改变匹配层和耗散层的厚度来调节高分子微粒吸声材料的吸声性能.10.学位论文陈勖片上无源器件建模和分布式放大器研究2007随着现代通信的迅猛发展，人们对通讯系统的要求越来越高。其中小型化和低功耗两项最为重要，因此，采用单片集成电路来实现通信系统已经成为必然。CMOS工艺在量产和生产成本方面具有其他工艺无法替代的优势，全CMOS单片集成通信电路必将成为通信系统的最终解决方案。然而，高品质片上无源元件的缺乏成为CMOS射频微波集成电路设计的瓶颈之一。作为最重要的片上无源器件之一，传输线在阻抗匹配、片上电感、滤波器、耦合器、功率分配等电路设计方面发挥重要作用，尤其是10GHz以上的微波电路应用更加明显。作为片上最常见的两种传输线类型，微带线和共面波导由于性能优越、加工方便，使用范围越来越广泛。但是目前制约射频微波电路技术发展的最大瓶颈在于代工厂并不能提供完整的无源器件的设计模型，EDA设计工具也普遍缺乏结合具体工艺的高效结构模型，导致电路设计者无法保证现有电路的设计精度。目前0.13μmCMOS工艺上有源器件的截止频率f<,T>已经超过100GHz，而无源器件的模型研究严重滞后，大大限制了工艺的推广和相关电路的研制。本文正是以目前流行的0.13μmCMOS工艺为背景，以微带线和共面波导为研究对象，对其建模技术展开研究。在阅读大量文献的基础上，对硅衬底上微波传输线的特性以及制备方法进行全面的分析和总结，结合现有仪器设备和工艺水平，确定了研究方向。运用保角映射、MoM仿真手段以及测量法对0.13μmCMOS工艺上微带线和共面波导的工作机制、物理特性等作了详细的分析，其中包括衬底损耗影响和趋肤效应等高频非线性的影响。针对传输线存在三种不同的工作模式，给出了适用的等效模型。设计并制备了30Ω、50Ω、70Ω特征阻抗的微带线和30Ω、50Ω、70Ω、100Ω的共面波导。基于二端口网络模型，研究了几何尺寸及硅基工艺参数对传输线分布参数的影响，并给出了相应的设计准则。作为对低阻衬底上传输线的补充，对MEMS(微电子机械系统)工艺上共面波导进行了研究，采用全波分析法对梯型槽和w型槽结构参数进行了理论分析，设计制作了30Ω、50Ω、75Ω、100Ω特征阻抗的共面波导。基于行波理论，采用简化的MOSFET模型和低损耗无源器件模型和前述无源器件的设计经验，对完全集成的CMOS分布式放大器进行了理论分析和研究，导出了有耗模型下的分布式放大器方程组。为了获得宽频段范围内增益的平坦度，采用了镜像阻抗匹配方法。最后采用共源共栅结构和国内工艺成功设计实现了一个四级CMOS分布式放大器。测试结果表明：对构成等效传输线的无源器件的电路模型进行很好的优化设计，就可以得到较好的测试结果。最后，对一种新型分布式放大器——阶梯型变阻抗分布式放大器进行了理论探讨。这种放大器不仅节省了无源器件的数量，而且能够获得比传统模式下的分布式放大器更高增益和更宽带宽的特性。引证文献(1条)1.黄秋元.王斌.付雷3G光纤直放站智能光模块设计与研究[期刊论文]-武汉理工大学学报(信息与管理工程版)2008(3)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_whjtkjdxxb200706031.aspx下载时间：2010年6月2日