第二节课-匹配课件

在射频电路设计中，阻抗匹配是很重要的一环。阻抗匹配的目的就是使负载阻抗与源阻抗共轭匹配，从而获得最大的功率传输，并使馈线上功率损耗最小。实现以上匹配的通常做法是在源与负载之间插入一个无源网络，这种网络通常被称为匹配网络。微带线的线长与电路的工作频率有关，因此在低频电路中，如果用微带线的方式来设计将会导致电路板面积过大而不适用，通常用LC分立器件进行匹配。但在高频电路中，微带线得到了广泛的应用。这部分就匹配的基本原理进行简要论述，对分立器件和微带线匹配的具体方法分别论述，并介绍ADS里自带的Smith圆图匹配工具和LincCacl工具，另外还将举例说明如何通过自带工具进行分立元器件和微带线进行阻抗匹配。匹配基本原理SmithChartUtilityTool是ADS里面自带的工具，提供了SmithChart的全部功能，既能够进行阻抗匹配，又可在SmithChart绘制输入/输出稳定性圆、等增益圆、等Q值线、等VSWR圆、等噪声圆等。1.1.1打开SmithChartUtility在原理图窗口里，执行菜单命令【Tool】-【SmithChart】即可打开SmithChartUtility。在设计向导菜单中，有多个方法可以选择进入SmithChartUtility（在ADS最初安装的时候要选择完全安装，否则再设计向导菜单中显示的工具不完全）。（1）【DesignGuide】-【Amplifier】-【Tools】-【SmithChartUtility】。（2）【DesignGuide】-【Filter】-【SmithChart】。（3）【DesignGuide】-【Mixers】-【Tools】-【SmithChartUtility】。（4）【DesignGuide】-【Osclillar】-【Tools】-【SmithChart】。SmithChartUtilityTool说明SmithChartUtility界面如下图所示。SimthChartUtility既可和原理图上的SmithChartMatching控件联合起来。也可以单独使用。在原理图窗口元器件面板列表的SmithChartMatching栏中可以调出SmithChartMatching，如下图所示。Simth圆图控件1.1.2SmithChartUtility界面介绍Smithchartutility的界面可以分成作图区、参数提示区、网络响应区、匹配电路预览等几个部分，如下图所示。菜单栏工具栏元件调用面板作图区参数提示区网络响应图匹配网络预览区当前对应的原理图和SmithComponent右上角的“CurrentSchematic”和“SmithComponent”下拉列表是用来让SmithChartUtility和原理图上的SmithChartMatching相对应的，会弹出如图所示对话框，这是一个更新操作提示选项。SmartComponent控件更新时，SmithChartUtility参数也更新原理图的SmithComponent控件更新时，SimthChartUtility参数也更新1.1.3菜单栏和工具栏菜单栏包括【Flile】、【Edit】、【View】、【Circle】、【Help】5个菜单。（1）【File】菜单•【NewSmithChart】：创建一个新的SmithChartUtility•【OpenSmithChart】：打开一个已经存在的SmithChartUtility•【Save】：保存SmithChartUtility•【SaveAs】：另存为SmithChartUtility•【ImportDataFile】：导入数据文件，如S2P•【ExitUtility】：离开当前的SmithChartUtility（2）【Edit】菜单•【DeleteSmartCompoonent】：删除原理图中的SmartComponent•【Reset】：把作图区的匹配网络复位（清零），即删除一切匹配电路，恢复到输入/输出端口全在Smith圆图圆心。•【Refresh】：刷新•【EndCommand】：终止当前操作(3)【View】菜单•【ChartOption】：在这里可以选择Smith圆图上为阻抗还是导纳图，以及主要的刻度。•【Colors】：选择在Smith圆图中显示的不同圆系和曲线的颜色。•【SParameter】：输入S参数•【NoiseParameter】：输入噪声参数•【Palette】：作图区左上角的Palette元器件列表•【ZoomIn】：将选定的区域放大•【AutoZoon】：查看全部（4）【Circles】菜单•【InputStability】：绘制输入稳定性圆•【OutputStability】：绘制输出稳定性圆•【Q】：绘制等Q值曲线•【Noise】：绘制等噪声圆•【VSWRin】：绘制输入等VSWR•【VSWRout】：绘制输出等VSWR•【Unilateral】：单向化设计，即假定S12=0，其中有等圆增益和等负载增益圆两项子项。•【Bilateral】：双向化设计。其中有等增益圆和等有效功率增益圆(5)【Help】菜单•【SmithChartUtilityDocumentation】：帮助文件的主题和目录•【AboutSmithChartUtility】：关于SmithChartUtility工具栏包括SmithChartUtility各种常用工具的快捷按钮，通过它们可以方便的进行操作，下面将默认的工具栏按钮进行介绍。：新建一个SmithChartUtility：打开一个存在SmithChartUtility：保存当前的SmithChartUtility：打印：在作图区的Smith圆图显示（或不显示）阻抗圆图：在圆图区的Smith圆图显示（或不显示）导纳圆图：圆图显示选项按钮：操作结束的快捷按钮：全部显示的快捷按钮：元器件面板快捷按钮：删除SmartComponent快捷键按钮1.1.4smithChartUtility作图区SmartChartUtility作图区如下图所示。（1）左上角的两列12个图标可以在smithchart中画出相应的器件用于匹配，具体含义如下：：源（共轭）端口：负载端口：串联电感，沿阻抗圆顺时针移动沿电阻圆从下到上：并联电感，沿导纳圆逆时针移动沿电导圆从下到上：串联电容，沿阻抗圆逆时针移动沿电阻圆从上到下：并联电容，沿导纳圆顺时针移动沿电导圆从上到下：串联电阻，沿等电抗圆移动：并联电阻，沿等电纳圆移动：变压器，沿等Q值线移动：串联微带线，沿等VSWR圆顺时针移动：并联短路微带线枝节，沿等导纳圆逆时针移动：并联开路微带线枝节，沿等导纳圆顺时针移动（2）默认情况下，蓝色的是阻抗圆图，红色的是导纳圆。可以通过【View】下拉菜单【ChartOption】选项来修改其刻度和【Color】选项修改其颜色，如下图所示。在作图区内可以画出输入输出稳定性圆、等增益圆、等Q值线、等VSWR圆、等噪声源等，具体的匹配电路也在这里显示出来。（3）输入输出不稳定圆、等增益圆和等噪声圆都是和晶体管关系密切的圆系，因此要画这些圆首先要在SmithChartUtility中输入某个晶体管在某个偏置和某个频率下的S参数和噪声参数，（这些参数可以从器件手册中找到，也可以从ADS的数据文件中导出。）通过执行如下左图所示的菜单命令即可打开相应的如右图所示的对话框，按图设置其数据。（4）这时就可以绘出晶体管在该偏置频率下的输出输入稳定性圆、等增益圆系，输入输出等VSWR圆系等。如下图所示。输入稳定性圆输出稳定性圆输入等VSWR圆输出等VSWR圆等增益圆资用等增益圆（5）绘出的输入/输出稳定性圆、等增益圆等，如下图所示。输出稳定性圆输入稳定性圆资用功率等增益圆工作功率等增益圆（6）绘出的输入/输出驻波比圆如下图所示。输入等VSWR圆输出等VSWR圆（7）输入噪声参数如下图所示。四个参数的含义如下：•GammaOPT：最小噪声处的输入端最佳反射系数绝对值•arg{GammaOPT}：最小噪声处的输入端最佳反射系数的复数角度•Fmin：最小噪声系数（dB），他与偏置条件和工作频率有关。•Rn：器件的等效噪声电阻这时就可以绘出晶体管在该偏置该频率下的等噪声圆系。执行菜单命令【Cirle】-【Noise】，绘出的等噪声曲线如图所示。修改噪声系数，得到不同的噪声源噪声系数圆（8）绘出的等Q值曲线如下图所示。可以通过改变此处的参数得到不同的等Q值曲线等Q值曲线在这些曲线和圆系里面，等Q值曲线、等噪声曲线、等增益曲线可以通过调节各自的值来看到不同的Q值、不同噪声系数、不同增益的曲线和圆系。（9）还可以调节各曲线圆系的线条颜色，执行菜单【View】-【Colors】，如下图所示。（10）在Smith圆图上方，可以设置频率和归一化阻抗，如果勾选“Normalize”则表示归一化，如下图所示。（11）单击【DefineSource/LoadNetworkTermination】按钮，弹出“NetworkTermination”对话框，可以设置输入和输出阻抗，如下图所示。在输入阻抗和输出阻抗的下拉列表里有很多阻抗类型，具体如下。•Resisitive：电阻•SeriesRL：串联电阻、电感•SeriesRC：串联电阻、电容•ParallelRL：并联电阻、电感•ParallelRC：并联电阻、电容•SeriesRLC：串联电阻、电感、电容•ParallelRLC：并联电阻、电感、电容•S-ParameterFile：导入S参数数据文件的阻抗•ComplexImpedance：复数阻抗•ManualEntry：手动输入1.1.5SmithChartUlility频率响应区SmithChartUlility频响区如下图所示对检查匹配网络和观察已给数据的性能来说，SmithChartUlility网络区可以很方便和快捷的看到匹配网络的性能和响应，从而进行调整。SmithChart的每个改动都会实时反映在频率响应曲线里面。同时，匹配网络示图区里面可以看到匹配电路的结构和元器件。选中元器件时，会在下方显示相应元器件的参数值。在网络响应（频域）里面可以显示匹配网络的s参数的幅度和相位。“StartFreq”：起始频率（单位Hz）“StopFreq”：截止频率（单位Hz）“Max”：纵坐标的最上边缘的最大值。对于幅度响应，最大值为1；对于相位响应，最大值为180“Min”：纵坐标的最下边缘的最小值。对于幅度响应，最小值为0；对于相位响应，最小值为-180“Type”：设置显示类型，有幅度、相位、或dB三种方式“Tracel1”：选择一个S参数（蓝色线条）“Tracel2”：选择一个S参数，包括是S11、S22、S12、S21（红色线条）“Rest”：复位全部设置匹配网络结构区域可以预览匹配电路，也可以修改元器件参数或删掉元器件。2.下面我们来讲一下用分立电容电感匹配实例设计步骤如下所示（1）在原理图中设定输入输出端口和相应的阻抗。（2）在原理图中加入SmithChartMatching控件，并设置相关的频率和输入输出阻抗等参数。（3）打开SmithChartUtility，导入对应SmithChartMatching控件的相关参数或者输入相关参数。（4）在SmithChartUtility中选用器件完成匹配。（5）生成匹配原理图。设计目标：设计L型阻抗匹配网络，使信号源和的负载匹配，频率为50MHz。（1）新建ADS工程，新建原理图，如下图所示。OhmjZS15*25OhmjzL25*100在原理图中可以看到端口和S-parameters的控件已经添加好了，如下图所示。（2）双击Term端口，弹出设置对话框，分别把Term1设置成Term2设置。这里，Term1作为源，Term2作为负载，如下图所示。OhmjZ15*25OhmjZ25*100（3）在元器件面板列表中选择“SmithChartMatching”，单击图标，在原理图里添加“DA-S