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射频电路基础知识
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射频阻抗匹配(1)
2. 射频电路中的阻抗匹配? 阻抗匹配的重要性射频电路和数字电路在设计上的差异 阻抗匹配的作用和特点 阻抗不匹配状态下产生的问题射频电路与数字电路在设计上的区别：? 数字信号的数据传输速率单位是bps（比特/秒）或Mbps 和Gbps；而频率的单位是Hz或MHz和GHz，两者的共同 之处是分母都是时间。 ? 在传统意义上，可以射频频率来区别数字电路的特性，当 数字电路的数据传输速率远小于射频频率（R&&frF)，则 为低速数字电路；反之，数据传输速率等于或大于射频频 率（R≥frF)，则为高速数字电路。 ? 早期通常是将射频频率的下限设定为10MHz ，但是随着 技术进步和提高，会发生很大的变化。From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011? 阻抗匹配形式及其匹配方法匹配网络的形式及其特点 匹配的求解方式 Smith圆图在匹配网络元件参数求解中的应用Feb. 18. 2011From SEIEE SJTU射频电路和低速数字电路的差别：模块的信号功率与其阻抗的关系：v2 p = v ?i = Zp: v: i: Z: 传输到模块的功率； 模块上的压降； 流入模块的电流； 模块的阻抗；在给定功率的条件下，模块的阻抗越高，则模块上的压 降就越大；反之，阻抗降低时，模块上的压降也就降低。 射频电路：一个低阻抗模块只需要较低的电压就能建立 无线通信系统通常可由射频电路和数字电路两部分所组 成，但两者在设计规则和应用场合的不同使之具有很大的差 别，主要表现在阻抗、阻抗匹配、吸入电流、在系统的位置 以及传输的类型等方面。Feb. 18. 2011相同的功率。 低速数字电路：一个高阻抗模块之需要很低的功率就可以 产生足够高的电压摆幅。Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFrom SEIEE SJTU射频电路和高速数字电路的差别：射频电路中的阻抗匹配网络：当数字电路的数据传输速率接近或达到射频频率时，高速数 字电路的结构和特点会发生变化，其阻抗匹配变得尤为重要。 高速数字电路的设计需要RF的设计经验和背景。 高速数字电路的设计非常关注阻抗匹配。Feb. 18. 2011当信号源阻抗和负载阻抗不是正好共轭匹配时，为 了实现信号源到负载之间的无相移最大功率传输，就需 要在两者之间插入阻抗匹配（或变换）网络。 阻抗匹配网络的输入阻抗 Zin必须等于信号源的共轭 阻抗 Zs*，输出阻抗 Zout必须等于负载的共轭阻抗 ZL*。Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFrom SEIEE SJTU阻抗匹配网络的特点：? 阻抗匹配网络构成射频电路中的一个重要组成部分，实际 上就是阻抗变换网络，可由无源器件或者有源器件组成。 ? 通过插入在信号源和负载之间，形成一个没有功率损耗的 无源无耗网络。 ? 无源匹配网络可由电容器和电感器组成。没有任何功率损 失；电阻由于会引入噪声和功率增益损失，尽量不使用。 ? 有源匹配网络可由有源器件和无源器件组成，包括射极跟 随器、源极跟随器和缓冲器等构成的匹配网络。阻抗匹配网络的作用：射频电路中的各个模块或负载一般都是与特性阻抗为Z0 （典型为50Ω）的传输线相连接，因此，在各个模块或负 载与传输线之间就要进行阻抗匹配，以便于获得： ? 从信号源向负载传输最大的无相移输出功率 ? 改善天线、低噪声放大器或混频器等接受电路的噪声系数 ? 实现滤波器或选频网络的匹配，以便获得最佳性能 ? 阻抗匹配有利于提高功率发射机的效率，延长电源的使用 寿命。Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTU射频电路阻抗 不匹配状态下产生的问题：? 意味着在信号源和负载之间会存在着电压或者功率的反射 ? 形成功率的不稳定性和额外的功率损失 ? 导致信号源或负载信号失真，产生额外失真和准噪声的信 号干扰 ? 难以进行准确的功率测量 ? 不仅会影响功率传输，也同样会影响电压传输 ? 还可能造成晶体管的击穿射频电路阻抗匹配网络 的主要形式及特点：? 集总参数匹配电路 ：适用于1GHz以下的射频低端频段；具有设计容易、 结构简单、灵活性和适应性好的特点? 分布参数匹配电路：适合于工作在1GHz以上的射频频段；当波长接近于 典型器件的尺寸时，就需要使用分布参数元件来替代集总 参数元件进行阻抗匹配电路的设计? 混合型匹配电路：在射频中间频段上，可以采用混合型匹配电路的设计 来获得良好的效果。From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011Feb. 18. 2011From SEIEE SJTU射频电路匹配网络的设计要求：? 简单性：选择通过简单的电路来实现匹配，可 尽量使用更少的器件，以便减小损耗并降低成 本以及提高可靠性。 ? 频率宽度：匹配电路随着频率宽度的增加而不 断增加电路的难度、复杂性和实现成本。 ? 电路种类：可以选择不同的类型电路（例如， 集总或分布参数电路）来实现匹配电路的功能。 ? 可调节性：需要考虑匹配负载的变化来调整匹 配电路的网络适应变化的可能性。Feb. 18. 2011直流或AC电路的阻抗匹配：? 直流电路： 阻抗匹配：负载电阻＝源的内阻RL = RS? 射频AC电路： 阻抗匹配：负载阻抗＝信源阻抗的复数共轭 例如：信源阻抗： Z S = RS + jX S 则：它的复数共轭：Z S = RS－jX SFrom SEIEE SJTUFrom SEIEE SJTUFeb. 18. 2011信号源阻抗的共轭阻抗及等效电路：阻抗网络的选用原则：在满足系统的设计要求的前提下，结构最简洁、成本最低 廉、性能最可靠、调节最简便为第一目标当信号源的＋jX（电感）分量和负载的－jX分量串联且相 互抵消以及剩余Rs和RL且相等时，即可实现最大功率传输Feb. 18. 2011基于集总元件的匹配电路拓扑结构Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFrom SEIEE SJTUL型匹配电路的特性：L型匹配电路的8种可能连接方式：? 结构简单、使用广泛、技术成熟且电路结构选 择具有一定规律可循的集总参数电路； ? 结构上：仅仅使用两个不同性质的电抗元件； ? 功能上：即可实现阻抗变换又可实现滤波；滤 波性能取决于网络的Q值? 从连接结构上来看，可以有串联连接和并联连接的不同连接， ? 从滤波特性上来看，可以有低通滤波器和高通滤波器之分 ? 从匹配特性上来看，可以分别适用于Zs&ZL 或者Zs&ZLFeb. 18. 2011From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTU匹配网络设计方法及特点：确定在匹配电路中的电容和电感有两种方法： ? 数值求解： 通过阻抗计算来求得电容和电感的数值；特点：可以得到非常精确的数值结果，并适合于计 算机进行仿真模拟的直接计算。L型网络的通用结构：X L = 2 π fL X C = 1/2 π fC RP = Q 2 + 1 / RS Q = QS = QP = QS = X S / RS QP = RP / X P式中： Qs、Rs和Xs对应于串联结构的数值 Qp、Rp和Xp对应于并联结构的数值 L型网络的通用结构 Xs和Xp既可为容抗也可为 感抗，但两者性质必须相反From SEIEE SJTU()RPRS?1? 图解求解： 利用Smith圆图作为图解设计工具来完成匹配电路的设计、器件参数的确定、带宽和Q值的分析等， 特点：不需要复杂的数值计算，是一种非常直 观，适用于手工操作、容易验证的有效设计方法Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011L形匹配电路的设计步骤（1）：1. 确定工作频率f、输 入阻抗RS和输出阻 抗RL; 2. 将构成匹配电路中 的两个元件分别与 输入阻抗RS和输出 阻抗RL相结合；且 当电路匹配时，可 由共轭匹配条件推 得：L形匹配电路的设计步骤（2-1）：3. 判别输入和输出阻抗的大小并选择电路结构： (1) 当RS&RL时， X S = Q s R s 和 X L = R L Q LRs&RL选择LC低通或CL高通滤波结构的匹配电路：Qs = QL =(RLRS ) ?1Rs&RLLS = X S 2πf C C P = 1 2πf C X LFeb. 18. 2011C S = 1 2π f C X S L P = X L 2π f CFrom SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTUL形匹配电路的设计步骤（2-2）：(2). 当RS&RL时， X S = RS QS 和X L = QL RL解析方法求解元件数值的过程：? 按照电路级联的方法求出负载和匹配元件组 合等效负载阻抗的表示式，与信号源阻抗共 轭相等，即实部和虚部分别相等，从而列出 两个方程，求出两个未知数，即获得了两个 元件的数值。选择CL低通或LC高通滤波结构的匹配电路：C P = 1 2πf C X S LS = X L 2πf CFeb. 18. 2011L P = X S 2π f C C S = 1 2π f C X LFrom SEIEE SJTU? 过程较为复杂，易出差错，事先必须具有合 适的拓扑结构，实施起来比较困难。Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUL型匹配网络设计实例：例：f0＝100MHz，Rs＝100Ω，Rp＝1000 Ω，设计能传输直流源电压的 匹配电路。 解： 要传输直流源，串联支路一定采 用电感元件Smith 阻抗圆图结构：R S = 100 ΩQ = QS = QP =(1000 / 100 ) ? 1＝3R P = 1000 Ω? Smith 阻抗圆图 包括等电阻圆和 等电抗圆 ? 可以在圆图中上 直接读出每一个 点的归一化阻抗、 容性或感性阻 抗，并可画出阻 抗变换的路径电路在匹配之后的元件参数From SEIEE SJTU From SEIEE SJTUQS = X S / RS ? X S = 3RS = 300Ω QP = RP / X P ? X P = RP / 3 = 333ΩL = X S / ω = 300 / 2π 100×106 = 477nH C = 1 / ωX P = 1 / 2π 100×106 × 333 = 4.8 pF(())Feb. 18. 2011Feb. 18. 2011Smith圆图中的阻抗和导纳坐标：利用圆图的原点对称 性，可以很容易地从阻 抗圆图得到导纳圆图。 借助于圆图，阻抗的 变动可以很容易地用圆 图表示出来。 若无源器件以串联或 并联方式构成阻抗匹配 网络，当器件以串联方 式构成时采用阻抗圆 图，当器件以并联方式 构成时采用导纳圆图。Feb. 18. 2011Smith圆图的有效精确性：从Smith圆图中读数 的精确性取决于读数 的位置。 在阻抗不是太小或不 是太大的区域中，所 读取到的阻抗的精确 性是可接受且可靠 的；反之，在阻抗太 小或太大的区域中， 所读取到的阻抗的精 确性是令人质疑的。Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFrom SEIEE SJTUSmith圆图阻抗匹配设计原则? 阻抗串联电感沿着常电阻 圆依顺时针方向移动；串 联电容沿着常电阻圆依逆 时针方向移动； ? 导纳并联电感沿着常电导 圆依逆时针方向移动；并 联电容沿着常电导圆依顺 时针方向移动。 ? 串或并联电感往上，串或 并联电容往下 ? 移动的圆弧长度分别取决 于电感或电容的数值Feb. 18. 2011Smith圆图阻抗匹配设计原则电容元件 往下，串联沿电阻 圆逆时针，并联沿 电导圆顺时针电感元件： 往上，串联沿电阻 圆顺时针，并联沿 电导圆逆时针Smith圆图匹配网络图解设计示意图From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTUSmith圆图法求解元件数值的步骤：1. 计算信源阻抗和负载阻抗的归一化数值； 2. 在圆图中找出信号源的阻抗点，绘出过该点的等电 阻圆和等电导圆； 3. 在圆图中找出负载阻抗的共轭点，绘出过该点的等 电阻圆和等电导圆； 4. 找出上述两步骤中所画圆中的交点，交点的个数就 是可能匹配电路拓扑个数。 5. 分别把信号源的阻抗、负载的阻抗沿着相对应的等 反射圆移动到步骤4的同一交点。两次移动的电抗 （纳）或者电纳（抗）变化就是所求电感或电容的 电抗或电纳； 6. 由工作频率计算出电感或电容的实际值。Feb. 18. 2011Smith圆图上的四个区域：区域1：低电阻（或高电导）：区域2：高电阻（或低电导）：区域3：低电阻低电导正电抗：区域4：低电阻低电导正电抗：From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTU两元件匹配网络 在区域1中的匹配特点：? 阻抗小于参考阻抗； ? 构成向上阻抗匹配； ? 第一个匹配元件（电 容或电感）均采用串 联方式沿着等电阻圆 移动； ? 第二个匹配元件均采 用并联方式沿着等电 导圆移动或向中心移 动。From SEIEE SJTU两元件匹配网络 在区域 2中的匹配特点：? 阻抗大于参考阻抗； ? 构成向下阻抗匹配； ? 第一个匹配元件（电 容或电感）均采用并 联方式沿着等电导圆 移动， ? 第二个匹配元件均采 用串联方式沿着等电 阻圆移动或向中心移 动。From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011Feb. 18. 2011两元件匹配网络 在区域 3中的匹配特点：? 两个匹配元件均为电 容性； ? 第一个匹配元件采用 串联或并联方式向等 于1的等电导圆或等 电阻圆移动； ? 第二个匹配元件采用 并联或串联方式从等 于1的等电导圆或等 电阻圆向中心移动； ? 电容值即不能太小又 不能太大。Feb. 18. 2011两元件匹配网络 在区域 4中的匹配特点：? 两个匹配元件均为电 感性； ? 第一个匹配元件采用 串联或并联方式向等 于1的等电导圆或等 电阻圆移动； ? 第二个匹配元件采用 并联或串联方式从等 于1的等电导圆或等 电阻圆向中心移动； ? 电感值即不能太小又 不能太大。From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTU两元件匹配网络的拓扑限制：匹配P4线路结构只可应用于区域 2和3，而不能应用于区域1和4。 匹配P3线路结构只可应用于区域 2和4，而不能应用于区域1和3。实际匹配网络中的元件：? 很少使用只有一个元件的无源匹配网络； ? 通常会使用电容或电感两个元件构成的无源匹配网络通常 在大部分设计中是可行的，且具有窄带的特性； ? 使用三个元件构成的无源匹配网络可以对元件数值提供无 限多的可能性； ? 宽带匹配网络可能需要三个以上的元件来实现，但这种情 况很少遇到； ? 无源元件实际上是不理想的，因为它们的电阻部分对信号 会有衰减，网络中的元件越多，则对信号的衰减就越严 重； ? 在实际应用中，尽可能多的使用电容而尽可能少的使用电 感（从成本和Q值来考虑）。Feb. 18. 2011匹配P2线路结构只可应用于区域 1和4，而不能应用于区域2和3。 匹配P1线路结构只可应用于区域 1和3，而不能应用于区域2和4。Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFrom SEIEE SJTUSmith圆图阻抗匹配设计实例（1）例：在60Mhz将25-j15Ω的源匹配100-j25 Ω 负载，匹配电路采用低通滤波器方式工作. 解：从负载阻抗来看源阻抗的复共轭为： 25+j15 Ω, 进行50 Ω归一化后： 源阻抗： 0.5+j0.3 Ω 负载阻抗：2-j0.5 Ω 图解得: AB 间的并联电容+jB=0.73 Ω BC间的串联电感＋jX=1.2 Ω 将电纳转换成电抗X=1/+jB=1/0.73=-j1.37 Ω 去归一化后， XL＝60 Ω和XC＝68.5 Ω 计算元件数值： L=159nH 和 C=38.7pFFeb. 18. 2011Smith圆图阻抗匹配设计实例（1）图解：源阻抗共轭点： ZS＝0.5+j0.3匹配之后的电路From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011负载阻抗点： ZL＝2-j0.5From SEIEE SJTUSmith圆图阻抗匹配设计实例（2）图解： ? 例：在1GHz的频率下，设计一个两元件L形 匹配电路把负载ZL＝10 ＋j10Ω的负载匹配到特 征阻抗Z0＝50 Ω的传输 线。 ? 解：使用L形匹配电路， 可以分别用两种电路来 实现匹配功能。 ? 实线：从负载ZL出发现 串联电感再并联电容； ? 虚线：从负载ZL出发先 串联电容再并联电感Feb. 18. 2011Smith圆图阻抗匹配设计实例（2）图解：采用Smith圆图设计所获得的集总元件实现的匹配电路Smith圆图上设计的匹配路径From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTU设计集总元件L形匹配电路的规则为：1. 2. 3. 4. 5. 使用ZY Smith圆图进行设计，从负载点ZL出 发向匹配点移动； 始终沿着ZY Smith圆图中的等电阻圆或等电 导圆移动； 每一次移动都对应一个电抗元件； 沿着等电阻圆移动对应一个串联电路，沿着 等电导圆移动一个并联电路； 电抗器件的种类（电感或电容）是由移动方 向确定的；一般是：向上移动对应于电感器 件，向下移动对应于电容器件Smith圆图设计多元件匹配实例（3）? 先将负载串联分支RL的A 点设置为：Z＝1＋j1 Ω ? 依次分解各级： B点为并联电感＝-jB=0.3Ω C点为串联电容＝-jX=1.4Ω D点为并联电容＝+jB=1.1 Ω E点为并联电感＝+jX=0.9Ω ? 直接从E点读取匹配数值 电路图及其分解图Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTUSmith圆图设计多元件匹配实例（3）：? ? 先设置A点：Z＝1＋j1 Ω 依次连接各个连接弧线： AB弧＝并联电感＝-jB=0.3Ω BC弧＝串联电容＝-jX=1.4Ω CD弧＝并联电容＝+jB=1.1 Ω DE弧＝并联电感＝+jX=0.9Ω ? 可以直接从E点读取： Z＝0.2＋j0.5 Ω本节基本要点：? 了解和熟悉射频电路的阻抗匹配的作用和特点 ? 了解和熟悉射频电路中的阻抗匹配网络的形式 和特点及其设计方法 ? 了解和熟悉应用Smith圆图设计阻抗匹配网络 的方法和步骤Feb. 18. 2011From SEIEE SJTUFeb. 18. 2011From SEIEE SJTU谢 谢 ！Feb. 18. 2011From SEIEE SJTU
华南理工大学实验报告课程名称电信 射频电路与天线实验 学院 (15)阻抗匹配 专业 学号 实验日期 班 姓名 实验名称 2005302××× 指导教师 一. 实验目的 (1)了解...因为电视机的射频输 入端输入阻抗为 75 欧,所以 300 欧的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的 呢?不知道大家有没有留意到,电视机的附件中,有一...一种快速RF自动阻抗匹配... 7页 免费射​频​阻​抗​匹​配 暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档实验2 阻抗匹配实验目的: 1. 熟悉 Smith 原图软件...怎样理解阻抗匹配阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。...例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为 75?,而一些射频设备 上则常用特征阻抗...射频功放共轭匹配-经典解析_电子/电路_工程科技_专业资料。信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。 一件器材的输出阻抗和所连接 的负载阻抗之间所...匹配分类 大体上,阻抗匹配有两种,一种是透过改变阻抗力(lumped-circuit matching...例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为 75 欧,而一些射频设备上则常 用特征...1文档_信息与通信_工程科技_专业资料。基于ads的射频功率放大器研究基于Ansoft Designer 的射频功放电路阻抗匹配优化 2009 年 05 月 14 日 18:41 长沙通信职业技术...匹配与史密斯(Smith)圆图:基本原理 (Smith)圆图在处理 RF 系统的实际应用问题时,总会遇到一些非常困难的工作,对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。...(老外的经典诠释) 阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配...例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为 75 欧,而一些射频设备上 则常用特征...摘要本篇文章中提出了一种新型的使用频率限制阻抗匹配网络的双频 RF-DC 转 换器。所提出的 RF-DC 转换器,包含一个双频阻抗匹配网络,一个 villard 结构 的整流...
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