專利名稱：一種超寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及射頻電路中寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，一種具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特 點(diǎn)的短距高速無(wú)線接入技術(shù)——超寬帶(UWB)技術(shù)得到了人們的廣泛關(guān)注。它解決了困擾 無(wú)線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度 低、有低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供厘米級(jí)的定位精度等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密 集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線接入和軍事通信應(yīng)用中。與傳統(tǒng)的窄帶射頻電路相比，UffB射頻收發(fā) 系統(tǒng)中，對(duì)射頻電路的工作帶寬有一定的限制，一般定義為相對(duì)帶寬大于20%，或是絕對(duì)帶 寬大于500MHz，因而就不能采用傳統(tǒng)的反饋電路的方式，通過(guò)適當(dāng)犧牲增益等參數(shù)指標(biāo)來(lái) 達(dá)到拓展帶寬的目的，然而對(duì)于超寬帶射頻電路的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法滿足要求， 必須采用適當(dāng)?shù)某瑢拵ヅ渚W(wǎng)絡(luò)電路來(lái)達(dá)到超寬帶匹配的目的。所謂阻抗匹配(impedance matching)是指負(fù)載阻抗與信號(hào)源內(nèi)阻抗或與傳輸線 波阻抗之間特定的配合關(guān)系。它是進(jìn)行射頻集成電路設(shè)計(jì)首先必須考慮的問(wèn)題，是判斷射 頻電路設(shè)計(jì)是否正確的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。不管是對(duì)電路的輸入阻抗還是輸出阻抗，阻抗匹配 時(shí)不可缺少的，而且是非常重要的，其目的是使電路獲得最大傳輸功率或者最小噪聲系數(shù)。 阻抗不匹配意味著在信號(hào)源和負(fù)載之間存在電壓或是功率的反射，這會(huì)給射頻電路設(shè)計(jì)帶 來(lái)一系列問(wèn)題，譬如，造成輸出功率的不穩(wěn)定性和額外功率損失，產(chǎn)生額外失真和準(zhǔn)噪聲， 以及引起射頻信號(hào)源的損壞和晶體管擊穿等。一般的網(wǎng)絡(luò)匹配方式有兩種一是以獲得最小噪聲系數(shù)為目的的噪聲匹配，二是 以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配，要求信號(hào)源阻抗與負(fù)載阻抗達(dá)到 共軛匹配，轉(zhuǎn)化到輸入和輸出端口，即只需要將輸入阻抗和輸出阻抗分別與信號(hào)源和負(fù)載 阻抗相匹配。一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在絕大多數(shù)的電路結(jié)構(gòu)均采用后一種匹配方法，這樣可以避免不 匹配而引起電路向天線的能量反射，同時(shí)，力求兩種匹配接近。而在以往的研究中，匹配網(wǎng) 絡(luò)的設(shè)計(jì)僅僅是局限于某一個(gè)頻率點(diǎn)附近的窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。如文獻(xiàn)[1]介紹了利用史 密斯圓圖來(lái)進(jìn)行阻抗匹配的設(shè)計(jì)方法，該方法只能用于簡(jiǎn)單的窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并沒(méi)有 提及可工作在寬頻帶范圍內(nèi)的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。由于超寬帶射頻電路的工作帶寬很寬，且匹配電路中所連接的電感和電容等元件 隨頻率變化大，因而單純依據(jù)電路設(shè)計(jì)人員自身的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的難度大、耗時(shí)長(zhǎng)， 無(wú)規(guī)律可循。文獻(xiàn)[2]介紹了一種利用數(shù)值優(yōu)化技術(shù)來(lái)進(jìn)行寬帶網(wǎng)絡(luò)匹配的設(shè)計(jì)方法，首 先采用實(shí)頻技術(shù)對(duì)寬帶阻抗匹配電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行研究，并確定匹配電路的結(jié)構(gòu)及其初 始參數(shù)，然后再利用數(shù)值優(yōu)化技術(shù)對(duì)各電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)寬帶范圍內(nèi)的阻抗匹 配。該設(shè)計(jì)方法雖然能夠較好地完成阻抗匹配但運(yùn)算過(guò)程較復(fù)雜，不便于操作。本發(fā)明給 出了一種設(shè)計(jì)超寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)電路的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法，利用史密斯圓圖來(lái)進(jìn)行超寬帶阻抗匹配的設(shè)計(jì)，可以方便快捷的設(shè)計(jì)出所需的超寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。[1]. R. Ludwig,P. bretchko, RF Circuit Design :Theory and Applications[Μ]. 王子宇，張肇儀，徐承和等譯，電子工業(yè)出版社，2002 270-287.[2], S. N. Yang, H. Y. Li, Μ. Goldberg, X. Carcelle, F. Onado and S. Μ. Rowland, Broadband Impedance Matching Circuit Design Using Numerical Optimization Techniques and Field Measurements, IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications,2007 :425_430.

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有傳統(tǒng)的阻抗匹配方法一般只考慮中心頻率點(diǎn)阻抗的變化，它將整個(gè)頻段范圍 內(nèi)的阻抗曲線用它的中心頻率點(diǎn)來(lái)代替，通常只適用于窄帶或者單頻點(diǎn)的阻抗匹配。與傳 統(tǒng)方法不同的是，本發(fā)明將史密斯圓圖應(yīng)用到超寬帶電路的輸入輸出匹配當(dāng)中，提出了一 種利用史密斯圓圖在超寬帶范圍內(nèi)進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，保證電路在較寬頻率范 圍內(nèi)保持良好的輸入輸出匹配特性，使得匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單直觀，易操作，且效果較 好。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下。首先，對(duì)已經(jīng)完成核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電 路，利用射頻電路設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件對(duì)其進(jìn)行S參數(shù)(散射參量矩陣)的仿真，得到輸入反射 系數(shù)S11和輸出反射系數(shù)S22的史密斯圓圖。圖中曲線上的任意一點(diǎn)同時(shí)對(duì)應(yīng)著帶寬范圍內(nèi) 電路在某一頻率所對(duì)應(yīng)的輸入或輸出阻抗值，其對(duì)應(yīng)關(guān)系為 S
11
_ Zin — Zs ο _ Zout - Zl
Zia+Zs
Zoat+Zl 或以dB形式表示為 S11CdB) = 20 Ig
Zin
S22(dB) = 201g
Zout ~ Zl
Zoat+Zl 可以看出，當(dāng)輸入阻抗Zin和輸出阻抗Z。ut分別與信號(hào)源阻抗Zs和負(fù)載阻抗\達(dá) 到匹配即Zin = Zs和Z。ut = Zl時(shí)，輸入和輸出反射系數(shù)為零，此時(shí)電路達(dá)到完全匹配狀態(tài)。 由于在射頻電路設(shè)計(jì)中，信號(hào)源阻抗Zs和負(fù)載阻抗&通常為50Ω (即Zs = Rs = & = & = 50 Ω)，因此，完全匹配時(shí)，輸入輸出阻抗?jié)M足關(guān)系式Zin = Z。ut = 50Ω。輸入和輸出匹配網(wǎng) 絡(luò)與核心電路結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如圖1所示。一般情況下，完全匹配不容易達(dá)到，通常意義上 所講的阻抗匹配只需將反射系數(shù)控制在-IOdB以下即可，即只需滿足 Sn(dB) = 201g
Ζ η-50Ω
Zin+50Ω
<-IOdB, S22 (dB) = 20 Ig
Zout—50Ω
Zout+50Ω
<10dB接下來(lái)，觀察S11和S22曲線在圓圖中的位置，看它們是否落在-IOdB等反射系數(shù) 圓內(nèi)，若曲線全部落在圓內(nèi)則完成匹配。一般情況下，在進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之 前，S11和S22曲線是不會(huì)完全落在-IOdB等反射系數(shù)圓內(nèi)的，此時(shí)需要進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。 根據(jù)構(gòu)成的元件數(shù)目及其連接方式不一樣，匹配網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)分為Γ型、Π型、T型和混 合型等，如圖2所示。最后，在輸入或輸出匹配阻抗網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)或若干電感或電容，通過(guò)調(diào) 整電感或電容的連接方式和大小，就能使S11或S22曲線在史密斯圓圖上移動(dòng)，當(dāng)它們?cè)谡麄€(gè)
4設(shè)計(jì)頻段范圍內(nèi)移動(dòng)到-IOdB反射系數(shù)圓內(nèi)時(shí)，電路達(dá)到匹配狀態(tài)，從而完成了超寬帶阻 抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。在匹配的過(guò)程中，一般不加入電阻，電阻屬于有耗元件，會(huì)額外增加功 耗，并惡化噪聲系數(shù)。另外，為了操作的方便，一般先對(duì)輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配，待匹配完成后再 進(jìn)行輸出阻抗網(wǎng)絡(luò)的匹配。本發(fā)明所述的超寬帶網(wǎng)絡(luò)匹配方法不需要進(jìn)行人工計(jì)算，不需要計(jì)算輸入阻抗Zin 和輸出阻抗Z。ut的大小，只需要將史密斯圓圖的對(duì)應(yīng)的曲線通過(guò)軟件插入若干元件后進(jìn)行 調(diào)整就能完成匹配，且匹配過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，并能較好實(shí)現(xiàn)匹配功能。


圖1輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)圖2匹配網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)圖3阻抗不匹配圖4阻抗部分匹配圖5阻抗匹配圖6阻抗部分匹配時(shí)的S11 (或S22)曲線圖7插入電感、電容或電阻后阻抗的移動(dòng)方向圖8串聯(lián)一個(gè)電感后阻抗曲線的變化圖9共源低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)及匹配網(wǎng)絡(luò)圖10完成輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一共源LNA的可能結(jié)構(gòu)圖11阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)流程
具體實(shí)施例方式對(duì)于給定的射頻電路，通過(guò)在射頻輸入端或輸出端插入一個(gè)或若干個(gè)電路元件 (如電感或電容)，即可得到相應(yīng)的輸入或輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)即可得到優(yōu)化的匹 配網(wǎng)絡(luò)。在匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整電感或電容的連接方式和大小來(lái)調(diào)整反射系數(shù) 曲線在史密斯圓圖的位置，使其能夠在整個(gè)設(shè)計(jì)頻段范圍內(nèi)移動(dòng)到-IOdB等反射系數(shù)圓 內(nèi)，達(dá)到在較寬頻帶范圍內(nèi)完成良好阻抗匹配的目的。在開(kāi)始進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)前，初 始電路的反射系數(shù)曲線在史密斯圓圖中的位置可以是任意的，通過(guò)在匹配電路中并聯(lián)或串 聯(lián)一個(gè)或若干個(gè)電感、電容來(lái)調(diào)整，構(gòu)成T型匹配網(wǎng)絡(luò)或是π型匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò) 電路中的電容或是電感值進(jìn)行調(diào)節(jié)，便可實(shí)現(xiàn)超寬帶匹配的目的。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。圖3表示的是阻抗不匹配時(shí)反射系數(shù)在史密斯圓圖中的分布情況，曲線代表輸入 或輸出反射系數(shù)，圓心處的虛線圓代表-IOdB等反射系數(shù)圓，圓心代表的是完全匹配點(diǎn)，即 輸入阻抗Zin或是輸出阻抗Z。ut匹配到50 Ω的點(diǎn)。但實(shí)際上在設(shè)計(jì)超寬帶電路時(shí)，不可能 實(shí)現(xiàn)在所有頻率條件下反射系數(shù)點(diǎn)都剛好匹配到史密斯園圖的圓點(diǎn)，因而在工程上定義當(dāng) 反射系數(shù)點(diǎn)落在-IOdB虛線圓之內(nèi)，就認(rèn)為反射系數(shù)足夠小，已經(jīng)達(dá)到了完全匹配。匹配的 目的就是在電路的輸入或是輸出端口加入匹配網(wǎng)絡(luò)，使反射系數(shù)曲線盡可能移動(dòng)到虛線圓 內(nèi)，盡量接近圓心。反射系數(shù)越接近阻抗匹配的程度直接反映了所設(shè)計(jì)電路的帶寬大小，匹 配得越完全，曲線落在-IOdB等反射系數(shù)圓的部分越多，其對(duì)應(yīng)的帶寬(BW = fH-fL)就越寬。圖4表示的是阻抗部分匹配的情況，它只有小部分曲線落入虛線圓(-IOdB等反射系數(shù) 圓)內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的S11或S22曲線的頻率特性如圖6所示。圖中，fmax、fmin對(duì)應(yīng)的是反射系數(shù) 曲線的兩個(gè)端點(diǎn)，4、fH對(duì)應(yīng)的是反射系數(shù)(S11或S22)曲線與虛線圓的兩個(gè)交點(diǎn)，落入虛線 圓內(nèi)的曲線在圖6中對(duì)應(yīng)的位置便在-IOdB以下。若反射系數(shù)曲線全部落入圓內(nèi)，電路完 成匹配，如圖5所示，其工作帶寬就擴(kuò)展到fmax_fmin。若向阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)插入一個(gè)元件——電容或電感，反射系數(shù)(S11或S22)曲線就會(huì) 發(fā)生移動(dòng)，其長(zhǎng)短、形狀、方向都會(huì)發(fā)生變化，變化程度取決于元件值的大小和連接方式。以曲線上的任意一點(diǎn)Q為例，其初始位置對(duì)應(yīng)的阻抗Z和導(dǎo)納Y分別為Z0 = R0+JX0, Y0 = GJjB0其中禮、X0, G0和Btl分別表示Q點(diǎn)初始位置的電阻、電抗、電導(dǎo)和電納，Zq與Yq互 為倒數(shù)關(guān)系。在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)一個(gè)電感Ls (或電容Cs)，Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的阻抗Z就會(huì)發(fā)生變化， 其變化量為 ΔΖ = AZl = JAHl = j2 JifLs(或 ΔΖ = AZc = j Δ Zc = (j2 JifCs) = -j/ (2JifCs))?？梢钥闯?，ΔΖ會(huì)隨著Ls(或Cs)的增大而增大(或減小)，且串入電感或電容 后只能改變電抗值，不能改變電阻，所以Q點(diǎn)會(huì)沿著等電阻圓方向移動(dòng)。另外，由于沿著等 電阻圓順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)電抗X會(huì)逐漸增大，因此串入電感Ls(或電容(；)后，Q點(diǎn)會(huì)沿著等 電阻圓順時(shí)針(或逆時(shí)針)方向移動(dòng)。同理，若并聯(lián)一個(gè)電感LP(或電容Cp)，曲線便會(huì)沿 著等電導(dǎo)圓逆時(shí)針(或順時(shí)針)方向移動(dòng)，如圖7的箭頭所示。由于阻抗Z(或?qū)Ъ{Y)的變化與頻率f有關(guān)，所以在匹配網(wǎng)絡(luò)中插入元件后，不同 頻率點(diǎn)的阻抗或?qū)Ъ{變化就會(huì)不一樣。根據(jù)上文所述可知，串聯(lián)電感(或并聯(lián)電容)后，高 頻率點(diǎn)阻抗(或?qū)Ъ{)變化大；并聯(lián)電感(或串聯(lián)電容)后，低頻率點(diǎn)導(dǎo)納(或阻抗)變化 大。在匹配網(wǎng)絡(luò)插入一個(gè)電感或電容后，反射系數(shù)曲線就會(huì)在相應(yīng)頻率對(duì)應(yīng)的等電阻 圓或等電導(dǎo)圓上移動(dòng)。根據(jù)高低頻率兩端對(duì)應(yīng)電阻、電抗(或電導(dǎo)、電納)的大小不同可以 將串聯(lián)電感、串聯(lián)電容、并聯(lián)電感、并聯(lián)電容這四種連接方式各分為四種情況。以串聯(lián)電感
為例，其四種情況 Rahi < Rbli、xahi > xbli‘ rahi < rbli>xahi < xbli‘ rahi > rbli>xahi > xbli 禾口 rahi > RBU、XAH1 < Xbli如圖8所示，曲線Ah1Bu、AjA2分別表示阻抗匹配前后的位置，其中下標(biāo)H、 L分別代表高頻端和低頻端，R和X分別代表電阻和電抗。分析(a) (b) (c) (d)四個(gè)圖可以 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)匹配前高頻端對(duì)應(yīng)的電抗比低頻端的電抗小(即Xahi < Xbu，如圖(b) (d))的時(shí)候， 阻抗匹配容易實(shí)現(xiàn)。其原因是串入電感后，反射系數(shù)曲線沿著等電阻圓順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，而 電抗剛好逐漸增大，由于高頻端匹配后阻抗變化大，所以要想較好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，高頻端 對(duì)應(yīng)的電抗應(yīng)該要小一些。同樣，串入電容后，反射系數(shù)曲線會(huì)沿著等電阻圓逆時(shí)針?lè)较蛞?動(dòng)，而電抗剛好逐漸減小，由于高頻端匹配后阻抗變化小，所以要想較好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配， 高頻端應(yīng)該在低頻端前面，也就是說(shuō)其對(duì)應(yīng)的電抗應(yīng)該要小一些。同理，在匹配網(wǎng)絡(luò)并入電 感(或電容)后，反射系數(shù)曲線將沿著等電導(dǎo)圓逆(或順)時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，而電納剛好逐漸 減小(或增大)，由于高頻端阻抗變化小(或大)，所以要想較好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，高頻端對(duì) 應(yīng)的電納應(yīng)該要小一些。當(dāng)初始反射系數(shù)曲線分別位于-IOdB等反射系數(shù)圓的右下、右上、左下或左上區(qū) 域時(shí)可通過(guò)在匹配網(wǎng)絡(luò)中分別插入一個(gè)串聯(lián)電感、串聯(lián)電容、并聯(lián)電感或并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，且串聯(lián)電感或電容適用于高頻端對(duì)應(yīng)的電抗小于低頻端的情況，并聯(lián)電感或電 容則適用于高頻端對(duì)應(yīng)的電納低于低頻端的情況。因此，要使電路能夠較好地完成阻抗匹 配，需要通過(guò)調(diào)整電路結(jié)構(gòu)或者在匹配網(wǎng)絡(luò)中插入若干元件將反射系數(shù)曲線調(diào)整到滿足高 頻端對(duì)應(yīng)的電抗(或電納)小于低頻端的位置，再加入一個(gè)適當(dāng)大小的元件就可完成匹配。
現(xiàn)以低噪聲放大器(LNA)為例來(lái)闡述本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式
步驟一進(jìn)行LNA的S11和S22參數(shù)仿真對(duì)已經(jīng)完成偏置電路設(shè)計(jì)的LNA結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸入反射系數(shù)S11和輸出反射系數(shù)S22的 模擬仿真，得到其對(duì)應(yīng)的史密斯圓圖。圖9所示為一基本的共源低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)， 偏置電路為放大器提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。步驟二 進(jìn)行LNA的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)根據(jù)史密斯圓圖中S11和S22曲線的位置、形狀以及對(duì)應(yīng)的高低頻端電阻R、電抗X 和電導(dǎo)G、電納B的大小，看是否符合前面所描述的現(xiàn)象，即高頻端對(duì)應(yīng)的電抗(或電納)要 小于低頻端。若某一條曲線(、或^^)符合二者之一的情況，則按照前面以串聯(lián)電感為例所 示的方法——串聯(lián)電感或電容適用于高頻端對(duì)應(yīng)的電抗小于低頻端即)(AH1 <)(BU的情況，并 聯(lián)電感或電容則適用于高頻端對(duì)應(yīng)的電納低于低頻端即Bahi < Bbli的情況——在相應(yīng)的匹 配網(wǎng)絡(luò)中插入相應(yīng)元件來(lái)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化；若不滿足高頻端對(duì)應(yīng)的電抗(或電納)小于低頻 端的情況，則需要通過(guò)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)或電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)使反射系數(shù)曲線移動(dòng)到滿足上述條 件的位置，再進(jìn)行匹配。一般采取的辦法是在匹配網(wǎng)絡(luò)中插入若干個(gè)電路元件，使反射系數(shù) 曲線發(fā)生移動(dòng)，最后通過(guò)多次調(diào)整使其移動(dòng)到-IOdB的等反射系數(shù)圓內(nèi)，若不能實(shí)現(xiàn)匹配， 調(diào)整電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行匹配。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)一般是相互獨(dú)立的，但也 會(huì)相互影響，所以在進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候，一般先進(jìn)行輸入網(wǎng)絡(luò)匹配，再進(jìn)行輸出網(wǎng)絡(luò)匹配，同 時(shí)需要兼顧兩者的變化。另外，需要注意的一點(diǎn)是，在設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候要盡可能減少使 用電感的數(shù)目，因?yàn)殡姼姓加玫拿娣e大，容易增加生產(chǎn)成本。步驟三進(jìn)行其他參數(shù)的仿真。完成輸入輸出匹配后，進(jìn)行其他參數(shù)的仿真。若仿真結(jié)果較差，則需要重復(fù)步驟 一、二，直到得到滿意的結(jié)果為止。對(duì)于LNA來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行噪聲系數(shù)NF、ldB壓縮點(diǎn)(P_ldB)、 三階交調(diào)點(diǎn)(IIP； )等參數(shù)的仿真，看是否滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。圖10所示是一種完 成輸入輸出阻抗匹配的共源低噪聲放大器的可能結(jié)構(gòu)。本發(fā)明適用于任意射頻電路結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，包括低噪聲放大器、混頻器、功 率放大器及濾波器等電路的設(shè)計(jì)。適用于射頻及微波集成電路設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種超寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，對(duì)于已經(jīng)完成偏置電路設(shè)計(jì)的電 路結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行散射參量矩陣S參數(shù)的仿真，得到輸入反射系數(shù)S11和輸出反射系數(shù)S22的 史密斯圓圖；在匹配阻抗網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)或若干電感或電容，形成T型匹配電路或 是JI型匹配電路，通過(guò)調(diào)整電感或電容的連接方式和大小，使反射系數(shù)(S11或&2)曲線發(fā) 生移動(dòng)，選擇史密斯圓圖曲線上的任意一點(diǎn)代表帶寬范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)在某一頻率所對(duì)應(yīng)的輸入 或輸出阻抗值，在史密斯圓圖的尋找一點(diǎn)使得輸入輸出反射系數(shù)為零，電路達(dá)到完全匹配 狀態(tài)，完成超寬帶匹配阻抗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，通過(guò)調(diào)節(jié)其大 小使輸入輸出反射系數(shù)(S11和&2)曲線在史密斯圓圖上移動(dòng)，并保證它們能夠在整個(gè)設(shè)計(jì) 頻段范圍內(nèi)移動(dòng)到-IOdB反射系數(shù)圓內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在阻抗匹配網(wǎng) 絡(luò)中串入電感或電容后，輸入輸出反射系數(shù)(S11和&2)曲線上的任意一點(diǎn)會(huì)沿著其對(duì)應(yīng) 的等電阻圓順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)；并聯(lián)一個(gè)電感或電容曲線上的任意一點(diǎn)會(huì)沿著其對(duì) 應(yīng)的等電導(dǎo)圓逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，在匹配過(guò)程中，串聯(lián)電感或電容適用于高頻端對(duì) 應(yīng)的電抗小于低頻端的情況，并聯(lián)電感或電容則適用于高頻端對(duì)應(yīng)的電納低于低頻端的情 況。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的超寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，它匹配前初始的反 射系數(shù)曲線在史密斯圓圖中的位置可以是任意的，而不是某一特定的位置。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的超寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，匹配電路結(jié)構(gòu)可以 是T型匹配電路、π型匹配電路、Γ型匹配電路、或是一般的混合匹配電路。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通用的超寬帶射頻電路阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，在射頻電路的射頻輸入端或是射頻輸出端外加一個(gè)寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)可采用T型匹配網(wǎng)絡(luò)、π型匹配網(wǎng)絡(luò)或是混合型匹配網(wǎng)絡(luò)中的一種，匹配網(wǎng)絡(luò)中的元件可以是電感或是電容，將所設(shè)計(jì)的射頻電路的輸入反射系數(shù)S11或是輸出反射系數(shù)S22在史密斯圓圖中表示出來(lái)，通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)或是并聯(lián)電感或是電容，使得S11或是S22曲線在史密斯圓圖內(nèi)改變，最終使得這兩段曲線全部落在-10dB阻抗匹配圓內(nèi)，從而使得該射頻電路在超寬帶頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。采用該方法可以方便設(shè)計(jì)出最優(yōu)的超寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，以低噪聲放大器(LNA)為例，針對(duì)任意給定的LNA結(jié)構(gòu)，通過(guò)在輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中插入一個(gè)或若干個(gè)電感或電容，即可得到優(yōu)化的匹配網(wǎng)絡(luò)。在匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整元件連接方式和大小來(lái)調(diào)整反射系數(shù)曲線在史密斯圓圖的位置使其能夠在整個(gè)設(shè)計(jì)頻段范圍內(nèi)移動(dòng)到-10dB等反射系數(shù)圓內(nèi)，達(dá)到在較寬頻帶范圍內(nèi)完成良好阻抗匹配的目的。
文檔編號(hào)H03H7/12GK102075158SQ20101061652
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者馮世娟, 彭能, 熊媛, 王岳生, 王巍, 王穎, 羅元, 韓冰 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)