射频电路匹配网络的分析与设计

射频电路匹配网络的分析与设计

王长林

天津广播器材有限公司天津300210

摘要：要想实现射频线路的高功率传输就要在设计的过程中尽量实现负载阻抗与和源阻抗的一致，保证最大的信号传输功效，一般在设计时要注意一下两个方面，（1）源阻抗和负载阻抗的匹配（2）电路中阻抗的连续性，在射频电路设计中，为了保证传输最大的信号能量，减少回波对信号质量和可用功率的影响，匹配网络设计是必须要考虑的重要问题。

关键词：射频电路；阻抗匹配；ADS软件

引言：

在通信手段和通信技术快速发展的今天，电子通信系统的工作频率不断提高，已经达到了GHz或更高频段。系统的工作频率决定了信号的传输方式和传输特性，如何保证信号在射频通信电路中的高传输效率、高功率容量及低传输衰减，匹配网络起着至关重要的作用。在射频通信系统中由于信号工作频率高，波长就接近或小于传输线的长度，因此需要用传输线理论来分析信号的传输特性。本文在此基础上介绍了匹配网络的几种类型与特点，并针对负载阻抗匹配给出了一些设计方法，如集总参数元件匹配网络、分布参数元件匹配网络和混合参数匹配网络的设计，最后介绍了ADS软件，利用该软件可以方便、快捷地设计阻抗匹配网络并进行性能仿真，通过仿真结果可以直观的说明匹配网络的优良性能。

匹配网络设计是射频与微波系统电路设计中必须要考虑的重要问题。在通信系统、雷达系统和航空电子系统等电路设计中都有重要的应用。

1、传输线理论及传输线工作状态

射频通信系统中信号频率高，波长短，通常定义几何长度大于或等于信号波长的传输线为长线传输，需要用传输线理论来分析。传输线理论是分布参数理论，可以将均匀的传输线等效成多个小于传输信号波长的微元组成，等效电路如图1所示，电阻、电感、电导和电容分别为R、L、G和C。

图1传输线的分布电路模型

1.1、传输线的工作状态

当负载与传输线特性阻抗相等，即时，终端负载反射。在这种情况下，入射波到达终端负载的能量全部被负载吸收，没有反射现象，沿传输线只有行波，这就是行波工作状态。当负载短路、开路或为纯电抗时，即或，与之相应的终端反射系数的模|ΓL|=1。在这种情况下传输线不传输能量，输入信号到达终端后能量全部被反射回去，反射波与入射波振幅相等相互叠加，称为驻波工作状态。终端短路和开路的情况下输入阻抗都是纯电抗，可以用一段适当长度的短路线或开路线来表示任意纯电抗值，在匹配网络设计中有重要应用。当负载为一般阻抗，此时终端负载反射系数的模0＜|ΓL|＜1，在这种情况下终端负载对入射波即有吸收也有反射，在传输线上叠加的结果是既有行波成分，也有驻波成分，因此称为行驻波工作状态。

1.2、传输线阻抗匹配的形式

传输线是用来传输功率和信息的，由于来自失配负载和连接处的反射都将导致传输信息的失真和传输功率的减少，这就要求负载与传输线相匹配，以使传输线反射系数接近为零。通常用到的阻抗匹配有三种，即负载阻抗匹配、波源阻抗匹配和共轭阻抗匹配。当负载阻抗与传输线的特性阻抗相等称为负载阻抗匹配。这时ZL=Z0，传输线工作在行波状态，负载反射系数为零且吸收全部入射功率。这种情况下传输线的效率最高，功率容量最大，且传输线任意点的输入阻抗都呈纯电阻性，大小不会随频率变化。当信号源的内阻与传输线的特性阻抗相等称为波源阻抗匹配。此时ZS=Z0，信号源为匹配源。若负载不匹配，负载引起的反射波会被信号源内阻完全吸收，不再产生二次反射，因此匹配源输出的入射波不随负载而变化，这样可以减少测量误差。当负载阻抗不匹配，传输线任一截面上输入阻抗与信号源内阻互为共轭值时，称为共轭阻抗匹配。此时，信号源输出功率最大。在射频电路匹配网络设计中，通常希望三种匹配同时实现，但一般情况下，很难同时满足。实际应用中考虑最基本、最重要的阻抗匹配是负载阻抗匹配，使传输线工作于行波状态。

1.3、阻抗匹配的方法

1集总参数元件匹配网络的设计

在射频电路频率不是特别高时需要采用分立元件来组成匹配网络。常用的匹配电路有双元件L型匹配网络和三元件T型或π型匹配网络。其中双元件L型匹配网络包括电阻性和电抗性L型节匹配电路。电阻性匹配电路对频率不敏感可适用于宽带应用，但电阻会消耗掉部分信号功率，对信噪比产生不良影响；电抗性匹配电路的功率耗散为零，但是匹配与频率有关；T型和π型匹配网络可以在设计时调整匹配网络的带宽，增加了设计的灵活性。图2电阻性L型节匹配电路

3单电抗性元件或短截线匹配网络

当无耗传输线的终端阻抗为ZL时，其反射系数的幅值保持恒定，当观察点从负载移开时，在某一点归一化输入阻抗的实部会变成1。在这一点串联或并联单一电抗性元件或一段传输线的短截线可以消除反射信号并在这一点后使反射系数为0。以串联电抗为例，如图3所示，根据归一化输入阻抗公式，要在ds处获得匹配，其实部就必须等于1。由此可以确定ds的值，然后在该处串联电抗Xs用来抵消该处输入阻抗的虚部。

图2电阻性L型节匹配电路

图3带有串联匹配元件的传输线

2、基于ADS的软件设计与仿真

ADS软件由美国安捷伦公司开发，支持从模块到系统的设计与仿真，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件。在ADS软件中可以利用史密斯圆图工具方便、快捷地实现L型和T型匹配网络的设计和仿真；也可以用设计向导来实现单支节、双支节或λ/4阻抗匹配网络的设计和仿真；还可以利用阻抗匹配工具设计符合宽带宽等技术指标的匹配网络。

结束语

综上所述，在射频通信系统中，阻抗匹配电路设计非常重要，它关系到系统的传输效率、功率容量和工作稳定性，还有微波测量的系统误差和测量精度，以及微波元器件的质量等一系列问题。利用本文给出的匹配网络设计方法可以方便地实现阻抗匹配电路的设计和仿真。

参考文献：

[1]李铿.浅谈射频电路匹配网络的分析和设计[J].电子制作，2017（Z1）：59+61.

[2]朱进，尹园威，刘超.射频电路匹配网络的分析与设计[J].信息技术，2011，35（08）：98-101.

[3]黄秋元，董诗波.射频电路中匹配网络的设计和分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007（06）：1061-1063.