实验一--匹配电路的设计与仿真.doc

实验一 匹配电路的设计与仿真

一、 实验目的
1、掌握阻抗匹配、共轭匹配的原理
2、掌握集总元件L型阻抗抗匹配网络的匹配机理
3、掌握并(串)联单支节调配器、λ/4阻抗变换器匹配机理
4、了解ADS软件的主要功能特点
5、掌握Smith原图的构成及在阻抗匹配中的应用
6、了解微带线的基本结构
二、实验原理
1、基本阻抗匹配理论

，

信号源的输出功率取决于Us、Rs和RL。在信号源给定的情况下，输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比k。当RL=Rs时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。无论负载电阻大于还是小于信号源内阻，都不可能使负载获得最大功率，且两个电阻值偏差越大，输出功率越小。
2、 共轭匹配：

当 ，源输出功率最大，称作共轭匹配。

若 ，需在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络 ，将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭。
3、 阻抗匹配：
①λ/4阻抗变换器

②并(串)联单支节调配器
调配原理：y(左)=1=y(右)+jb ，y(右)=1-jb

调配过程：
a) . yL 于A点
b) 等ρ圆顺时针旋转与g=1 的圆交于B点，旋转长度为d（接入点的位置）
c) B点的虚部为jb，并联支节的电纳为-jb，则匹配
d) –jb于E点，则支线电长度为l（短路线）
三、 实验内容
1、 设计L型阻抗匹配网络，使Zs=(25－j*25) Ohm信号源与ZL=(100－j*25) Ohm的负载匹配，频率为500MHz。
2、 设计微带单枝节短截线匹配网络，使ZS=(55－j*40) Ohm信号源与ZL=(30+j*50) Ohm的负载匹配，频中心频率为1.5GHz
四、 实验步骤
I、L型匹配网络
1、打开ADS
2、新建一个工程，长度单位选毫米
3、选“No help needed”，然后单击“finish”
4、 在元件库列表中选择“Simulating-S Param”，单击 SP和 Term放入两个Term和一个SP控件
5、 双击Term1，Term2端口，弹出对话框改变参数
6、 双击S-Paraemters控件，弹出对话框改变参数

7、 选择元件库“Smith Chart Matching”，单击 在原理图中添加“DA_SmithChart
Matching”控件，单击工具栏 ，放置并连接原件
8、 双击DA_SmithChartMatching控件，设置相关参数

9、执行菜单命令【Tools】 【Smith Chart】，弹出“SmartComponent Syne”对话框，选择“Update SmartComponent from Smith Chart Utility”，单击OK
10、 改变Freq，单击“DefineSource/load Network terminations”按钮

11、 采用分立元件LC匹配过程如下图
改变L、C位置，观察L、C值变化时输入阻抗变化轨迹
12、 单击“Build ADS Circuit”按钮，即可生成相应的电路
13、 选中DA_SmithChartMatch控件，单击菜单栏向下的箭头，以查看匹配电路
14、 单击向上的箭头，返回到原理图

15、单击 图标，进行仿真
16、单击 ，在结果窗口单击，选中要查看的图形，仿真结果输出

II、微带单支节短截线
1、 新建一个工程，长度单位选毫米
2、 在元件库列表中选择“Passive Circuit DG-Matching”，放置元件MSUB（微带基片）和SSMATH（微带单支节短截线）
3、 执行菜单命令【Insert】 【Template】，选择S_ Params，在原理图中加入S参数模块
4、 双击MSUB元件，设置参数
5、 双击“DA_SSMatch_MLIN_SMatching”控件，设置参数，输入阻抗与源阻抗Zs共轭
6、 设置TERM1、TERM2阻抗，S参数扫频方案，完成设计
7、 执行菜单命令【DesignGuade】 【Passive Circuit】，选择对话框中的Microstrip Control Window，选择Design Assiant Design，100%出现后，Close该对话框
8、选中SSMatch控件，单击菜单栏向下的箭头，以查看匹配电路
9、单击向上的箭头，返回到原理图
10、单击“齿轮”按钮，进行仿真，分析结果
11、匹配电路的版图生成。 在工具栏单击“Deactive or Active”控件 ，然后单击2个“地”、2个“Term”，“SP”控件，使它们失效，就不会出现在所生成的版图中。
12、 执行菜单命令【Layout】->【Generate/Update Layout】，弹出一个设置对话框，这里应用其默认设置，直接单击OK。
（第5,6步的图）

五、 实验结果
I、L型匹配网络

由仿真结果可知在500MHz时反射系数最小，电压传输系数最大，系统性能最好。

II、微带单支节短截线

由仿真结果可知在1.5GHz时反射系数较小，电压传输系数最大，系统性能较好。
六、练习题
1、 设计L型阻抗匹配网络，使Zs=(46－j×124) Ohm信号源与ZL=(20+j×100) Ohm的负载匹配，频率为2400MHz.
解：原理图：

匹配电路：

仿真结果如下：

2、 设计微带单枝短截线线匹配电路，使MAX2660的输出阻抗ZS=（126-j*459）Ohm与ZL=50Ohm的负载匹配，频率为900MHz.
微带线板材参数：
相对介电常数：2.65，相对磁导率：1.0，导电率：1.0e20，损耗角正切：1e-4
基板厚度：1.5mm，导带金属厚度：0.01mm
解：原理图：

匹配电路：

仿真结果：

版图生成如下：

七、思考题
1、 常用的微波/射频EDA仿真软件有哪些？
答：微波/射频领域主要的EDA工具有Agilent公司的ADS软件和Ansoft公司的HFSS、Designer软件， Microwave Office, Ansoft Serenade ,CST等微波/射频电路设计软件，还有Smith圆图软件Winsmith等。
2、 用ADS软件进行匹配电路设计和仿真的主要步骤有哪些？
答：画出原理图，添加DA_SmithChartMatching”控件，设置相关参数，执行菜单命令【Tools】→ 【Smith Chart】，弹出“SmartComponent Syne”对话框，选择“Update SmartComponent from Smith Chart Utility”，单击OK，在Smith Chart中并联电感串联电容或并联电容串联电感，改变电容电感的值，直至匹配。单击“Build ADS Circuit”按钮，即可生成相应的电路。在原理图中，选中DA_SmithChartMatch控件，单击菜单栏向下的箭头，以查看匹配电路，单击向上的箭头，返回到原理图。单击“齿轮”图标，进行仿真。
3、 给出两种典型微波匹配网络，并简述其工作原理。
答：下图为两种典型微波匹配网络：

对于T型网络，它的输入输出阻抗和传输系数分别为：

其中A11，A12，A21，A22为网络A参数，通过上式可求得：

同时可求得型网络的电路参数为：

4、 画出微带线的结构图，若导带宽度w、εr增大，其特征阻抗Z0如何变化？
答：微带线的结构图如下图。介质微带特性阻抗随着W/h增大而减小；相同尺寸条件下，εr越大，特性阻抗Z0越小。

5、 写出实验体会和建议。
通过此次试验了解了阻抗匹配网络的原理，重点学会了L型阻抗匹配网络的设计，学会用Smith原图进行阻抗匹配，对ADS软件有了初步的了解。此外，也学会了用微带单支节短截线进行阻抗匹配。