【ADS射频电路学习笔记】2.阻抗匹配电路设计

本节课学习smith圆图匹配

1.史密斯圆图各功能介绍

  • 首先调出s参数的控件
    在这里插入图片描述
  • 并增加两个端口
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  • 调出smith chart matching的控件
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  • 连接好端口
  • 在ADS中，默认是从负载端（term2）向源端（term1）做匹配的。
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  • 调节s参数控件的的频率扫描参数设置
  • num of pts.是扫描的总步数
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  • 通常是最终匹配到50欧的
  • 这里我们把源端的阻抗调整为2欧，通过史密斯圆图匹配到负载的50欧
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  • 选择smith chart的控件后，点击Tool->smith chart
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  • 打开后会提醒你有两种选项，一个是是通过smith chart更新到原理图里面。
  • 第二种是通过刚才设计的原理图来update更新这个smith chart。
  • 这里我们选择第一种
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  • 这里展示的是已经匹配好的例子在这里插入图片描述
  • 在编辑edit栏可以选择删除控件
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  • 在view视图中，包括了smith的属性，是看史密斯原图的阻抗是使用电阻还是电抗。
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  • color是用来设置smith chart的颜色
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  • 第三个是s参数，对于有些器件会直接给出其s参数的值，在smith chart会形成s参数圆，
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  • 第四个噪声计算，有些器件会提供s参数噪声，在低噪声放大器中较常用
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  • 然后是circles圆图，如果前面输入了器件的s参数的值，那么就会导出相应输入和输出的稳定圆
  • VSWR为驻波圆
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  • Q功能也使用较多，Q是其实部除以虚部，Q为1表示其实部和虚部相等。
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  • normalize表示是否进行归一化，一般都要勾选上。
  • 在圆图下方可以找到对应的阻抗值
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  • 左栏第一个是源端阻抗，第二个是负载阻抗
  • 第二行是串并联电感
  • 第三行是串并联电容
  • 第五行是变压器，其是沿着等Q曲线移动的。另一个是串联微带，
  • 第六行第二个是开路线。
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2. LC串并阻抗匹配方法

  • 将阻抗75-30j匹配到30+20j
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  • smith chart控件的参数如下，频率Fp为450MHz。源阻抗类型source type选为复阻抗complex impedance，Zg为源端阻抗，即对应目标阻抗。负载阻抗类型loadtype选为复阻抗complex impedance，Zl为负载阻抗值，
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  • 然后通过tools打开smith chart
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  • 打开smith chart后勾选上这两个选项

  • source是目标阻抗，load是现有阻抗
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  • 然后点击ok，ads会自动帮忙做共轭计算，将源阻抗30+20j变成30-20j
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  • 但是建议最好不要勾选这两个选项，防止smith circle报错！

  • 因为每运行一次电路，都会做一次共轭，使得源阻抗的本身阻抗值变成共轭的值。

  • 因此建议最好自己来确定是否进行共轭。
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  • 建议不需要填写这些参数，直接在smith圆图终端上写参数值。
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  • 然后我们做匹配

  • 先在负载并联一个电容到地，其是围绕等电纳圆进行转动的，并联的电容越大，移动的距离越长。但是如果走的距离太长，电容容值会变成一个负数，这是不对的。
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  • 先并联到跟等电阻圆靠近的时候，再串联一个电感，就能到目标的阻抗值了
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  • 这里我们还需要进行微调，通过放大目标阻抗值附近，可以发现匹配的阻抗还是没有跟圆心重合的。在这里插入图片描述

  • 我们要将紫色的正方形包围黑色的阻抗值的圆

  • 如果是偏移垂直方向的话，可以适当增加并联的电感值。
    在这里插入图片描述

  • 现在才是匹配好的
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自动匹配阻抗

  • ADS对于二端口器件是可以自动进行阻抗匹配的
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L串C并匹配网络

  • 这里需要选择先串电感还是电串电容
  • 但是在现实中，往往用的比较多的是第一种，先串电感再并电容。
    在这里插入图片描述
  • 然后就可以自动进行匹配了
  • 但是这种方法也有缺点是，其不会去管你的匹配带宽
    在这里插入图片描述
  • 右图的network response是匹配网络对应的频率响应区，开始频率是0Hz，截止频率是2GHz，这是呈现匹配网络好坏的方式。
  • 这里我们随便改个参数，可以发现频率响应有了很明显的变化。
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  • 点击生成生成电路按钮
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  • 生成的电路在smith circle按件里面
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  • 这里我们点击到他的下级原理图进行操作。
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  • 就可以看到中间的匹配电路了
    在这里插入图片描述
  • 然后点击运行仿真在这里插入图片描述
  • 仿真的结果来看，谐振频率450MHz时非常深负的，
  • 然后来看回波损耗，即优于-20dB对应的频率带宽
  • 将marker调至-20dB对应的频率，510M-390MHz=120MHz的带宽。
    在这里插入图片描述

查看驻波比VSWR

  • 这里如果看不惯dB显示的结果，可以改成驻波
  • 在s参数扫描的控件里面，找出vswr对应的控件
    在这里插入图片描述
  • 再重新进行仿真
  • 点击左边表格图，并将表格拉至空白处新建图表
    在这里插入图片描述
  • 选择VSWR，添加输出显示
    在这里插入图片描述
  • 可以看到在450MHz的时候，VSWR为1，匹配非常好。
  • 优于-20dB即对应VSWR为1.2
  • 实际上两种方法得到的结果是一样的。
    在这里插入图片描述

C串L并匹配网络

  • 其他的参数设置都一样，把原理图上的负载和源阻抗都已经填入进来
  • 但是这种是电感接地的匹配，一般不会采用这种匹配方式。因为直流分量很容易直接导通到地
    在这里插入图片描述
  • 这里调整Q值，查看其匹配最高点所对应的Q值。
  • 其是通过并联了一个很大感值17.3nH的电感到地，然后再串联一个5.76pF的电容。
    在这里插入图片描述
  • 然后点击生成ADS电路
    在这里插入图片描述
  • 然后进行仿真
  • 通过查看VSWR的波形图，可以发现在450MHz的谐振频率处，其VSWR为1，是比较好的
  • 但是在VSWR为1.2以内的频率范围过窄，只有50M
    在这里插入图片描述

3. 匹配Q值和带宽的关系

分析同Q值却频带宽度不同原因

  • 这里我们来对比两种匹配网络的方法，分析为什么会导致其带宽过窄的原因
  • 第二种方法对应的Q值为1.4
    在这里插入图片描述
  • 而第一种匹配网络的方法对应的Q值也是1.4
  • 为什么同样的Q值，却造成带宽不一样呢？
  • 很多人有个观点是：Q越小，对应越大的带宽
  • 但对于同Q值下，匹配阻抗所走的路程越短，匹配电路的性能越好。
    在这里插入图片描述

电阻匹配网络

  • 如果要实现与频率无关的匹配，可以采用电阻做匹配网络，因为其阻值与频率是无关的，没有寄生参数。

  • 那么对于下图，如何实现从0.01G-100GHz的匹配呢

  • 源端阻抗为100欧，负载阻抗为50欧
    在这里插入图片描述

  • 运行仿真s参数

  • 点击左侧表格，输出S11的图形
    在这里插入图片描述
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  • 再添加驻波比VSWR
    在这里插入图片描述

  • 可以看到从0.1G-100GHz，不考虑寄生效应，其VSWR没有变化，都为1.
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  • 但是再来查看S21功率传输系数
    在这里插入图片描述

  • S21只有-3dB
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  • 因为从源端向右看，100欧姆确实是完美的匹配，但是匹配电阻和负载电阻都是50欧，电压分配是一样的，所以功率比是1比1，有一半的功率被吃掉了。实现了这么宽的带宽，但是功率却没了一半。虽然这样的匹配跟频率没有关系，但是损耗太大了，不能接收。在这里插入图片描述

4. 其他匹配方式

变压器匹配

  • 从3+10j的阻抗匹配到29.7+20j
    在这里插入图片描述
  • 电压起的匹配是沿着等Q值圆走的
  • 这是理想的变压器，实际的变压器不是这样的
  • 一般是在低频下才用变压器，往高频走的话寄生效应太明显了，什么都做不了。
    在这里插入图片描述
  • 当没有虚部的阻抗时，是沿着smith中心直线转动的，实现无线的带宽，与频率没有关系
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微带线匹配

  • 微带匹配是采用多节匹配的方式，唯一的好处是拉低等Q值圆。
  • 右图的频率响应中间有个凸起，带宽变大了。如果只有一节的话，频率响应只有一个谐振点，如果有多节匹配的话，会有多个谐振点。
  • 这也是为什么宽带一定要做多节，窄带无所谓。
    在这里插入图片描述

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