《射频第四讲解读》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频第四讲解读（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、RF Circuit Design: Theory and Application,福州大学通信工程系 许志猛,TOPIC 4,匹配理论 集总参数元件匹配网络,and,主要内容,匹配的基本概念 品质因数 匹配网络的基本结构 集总参数元件匹配网络的设计 方程计算法 Smith圆图法,不匹配：有劲使不上,匹配：最大功率传输,匹配概念,何谓匹配？,电路的匹配与否和什么因素相关？,匹配的必要性： 可以向负载传输最大的功率 改善噪声系数 提高效率，延长电池寿命 提高滤波器和选频回路的性能 减少反射引起的失真,输出入功率关系图,输出功率与阻抗比例关系图,Matching Theory1,当ZL = ZS*
2、，即是匹配( Matched ),广义阻抗匹配关系图,Matching Theory2,将阻抗匹配概念推广到交流电路：,当负载阻抗ZL与信号源阻抗Zs共轭时，能够实现功率的最大传输，称作共轭匹配或广义阻抗匹配。,阻抗变换网络 实现共轭匹配,Matching Theory3,射频/微波电路的阻抗匹配也是交流电路阻抗匹配问题。 在频率更高的情况下，分析问题的方法有其特殊性。 射频/微波电路中通常使用反射系数描述阻抗,用波的概念来描述信号大小。 需要用反射系数来分析最大功率传输条件即阻抗匹配状态,射频/微波电路的匹配问题,因为L=b1/a1，,则提供给等效负载的功率为：,为了得到最大功率传输，必须满
3、足：,此时,Matching Theory4 ：Quality Factor,品质因素（Quality Factor, Q）,理想电容的 Q 理想电感的 Q 理想电阻的 Q 0,储能,对于阻抗元件，Q=电抗/电阻,Matching Theory4 ：Quality Factor,（3dB Bandwidth Quality Factor, Q3dB）,当fo固定时： BW3dB=0 = Q3dB BW3dB = Q3dB=0 理想的电阻 = BW3dB 理想的电容或电感 = BW3dB=0,BW3dB : 3dB Bandwidth,有载品质因素，QL,3dB-频宽 品质因素,固有品质因素，Q
4、o,Matching Theory4 ：Quality Factor,网络的带宽可以用Q值来确定 匹配网络的频率响应可由等效的低通、高通或带通滤波器求出 由等效滤波器求Q值进而确定网络的带宽的方法比较复杂 为了方便地估计匹配网络的带宽，引入节点品质因数Qn，其定义为,节点阻抗：ZS=RS+jXs,节点导纳：Yp=Gp+jBp,品质因数在匹配网络中的应用,对任何L型匹配网络有载品质因数QL可用下式来估计： QL=Qn/2 更复杂匹配网络的有载品质因数的计算，常简化为用节点品质因数的最大值来估计。 尽管这种方法没有给出网络带宽的定量估计，但它使我们对网络带宽有了定性的了解，并可以具此判断匹配网络带
5、宽的宽窄。,Matching Theory4 ：Quality Factor,品质因数在匹配网络中的应用,节点Q值与Smith圆图,为了进一步简化匹配网络的设计工作，我们可以在Smith圆图中画出等Qn 线。 由Smith圆图的基本式： 分开实、虚部，得： 分子分母同乘以分母的共轭，则有：,节点Q值与Smith圆图,节点的品质因素可写为： 整理上式，可得圆方程： 注意到I = 0、R = 1时，Qn圆方程两边恒等，所以等Qn圆总是通过Smith圆图的（1，0）点和（-1，0）点。,其中号对应于正电抗，号对应于负电抗,节点Q值与Smith圆图,在Smith圆图中标出等 Qn 圆，如右图所示。 有
6、了等 Qn 圆，我们只需读出Qn ，然后除以2，就可以得到L形网络的有载品质因素。 实例参见例题8.4 （P283）,阻抗转换器的设计原理,若负载阻抗不满足匹配条件，需要在负载和信号源之间加一个阻抗转换网络，将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭，实现匹配。 阻抗转换器的设计方法依使用元件及工作频率高低，大致可以分为: 集总参数元件型（Lumped Device Type） 此型电路是利用电感及电容来设计。 传输线型（Transmission Line Type）,为什么不用电阻？,集总参数元件匹配电路,匹配网络可以是窄带或宽带网络 窄带网络具有滤波功能，滤波性能取决于Q值 集总参数元件匹配网络依据
7、工作频宽的大小，基本上可以分为以下几种网络拓扑结构： L型、T型和型 具体设计方法有 方程计算法 Smith圆图法 方程计算法相对较为复杂，但具体的电路结构选择有一定的规律可循。以下将按照输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻的情况讨论。,L型匹配网络,组成 两个不同性质的电抗元件构成 特性 窄带网络，具有滤波功能（Q） 拓扑,Matching Network Design1,RS,Vs,RS,RL,Pout,RL,XS,XP,图 1(b) L型匹配电路 （ Rs RL ）,Rs,Vs,RS,RL,Pout,RL,Xs,XP,图 1(a) L型匹配电路 （ Rs RL ）,QS=Xs / Rs,QL =
8、 RL / XP,Matching Network Design2,图 1(c) Ls-Cp低通式L型匹配电路,图 1(d) Cs-Lp高通式L型匹配电路,图 1(e) Cp-Ls低通式L型匹配电路,图 1(f) Lp-Cs高通式L型匹配电路,Smith圆图法,方程计算法比较复杂，特别是对T型和型匹配网络，计算容易出错； 匹配效果不直观，只有通过实验验证； Smith圆图用来求输入阻抗很方便，将之用于匹配网络的设计： 结果容易验证； 复杂程度几乎与匹配网络元件数目无关； 元件的类型和参数可以直接在通过在圆图上的阻抗变换过程获取； 通过计算机辅助Simth圆图软件，可以直接获取元件值。,Smit
9、h Chart,+jx,-jx,+jb,-jb,Inductive,Capacitive,r =0 g= ,r = g=0,串并联电容电感会有怎样的变化规律？,射频操,Smith圆图法步骤,以L型网络为例： 步骤一：计算源阻抗和负载阻抗的归一化值。 步骤二：在圆图上找出源阻抗点，画出过该点的等电阻圆和等电导圆。 步骤三：在圆图上找出负载阻抗的共轭点，画出过该点的等电阻圆和等电导圆。 步骤四：找出步骤二、三所画圆的交点，交点的个数就是可能的匹配电路拓扑个数。 步骤五：分别把源阻抗、负载阻抗沿相应的等反射系数圆移到步骤四的同一交点。两次移动的电抗（纳）或电纳（抗）变化就是所求电感或电容的电抗或电纳
10、。 步骤六：由工作频率计算出电感电容的实际值。,电路拓扑的选择,拓扑结构的选择有其规律性，如何选定最合适的一个，要考虑的因素有： 圆图中能找到交点，即可以完成匹配； 元件的标称值，元件方便得到 ； 电感、电容组合就会有频率特性，即带通或高通特性，要考虑匹配电路所处系统的工作频率和其他指标，如有源电路中的谐波或交调等； 与周边电路的结构有关，如直流偏置的方便、电路尺寸布局的许可等。,设计实例,发射机在2GHz频率点的输出阻抗为ZT=(150j75)，设计一个L型匹配网络，使得输入阻抗为ZA=(75j15)的天线能够得到最大功率。 解： 匹配网络应使ZA变成ZT的共轭=(150-j75) 使用Smith圆图进行设计,设计实例,设计实例,设计一个T型匹配网络，将ZL变换为Zin。已知ZL = (60 -j30), Zin= (10 + j20), 最大节点品质因数等于3, f = 1GHz,设计实例,已知宽带放大器需要一个型匹配网络，要求该网络将ZL = (10 j10)的负载阻抗变换成Zin= (20 + j40)的输入阻抗，并具有最小的节点品质因数，工作频率为f = 2.4GHz，求各元件值。 解：最小节点品质因数为2,THE END,作业与思考题 8.9 设计一個工作中心频率500MHz，频宽40MHz的50-75的型阻抗转换器。（Rs= 50 ， RL =75）,
