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  • 0-ADS-Smith圆图阻抗匹配调试经验总结.pdf
  • 阻抗匹配的本质就是使负载的阻抗加上匹配网络的阻抗,等于信号源的阻抗的共轭。这里介绍了用史密斯圆图看天线阻抗匹配的一种方法
  • 微波仿真论坛-如何用史密斯圆图进行阻抗匹配 百度文库也有
  • ADS使用Smith圆图进行阻抗匹配

    千次阅读 2020-06-17 16:05:51
    在处理RF系统的实际应用问题时,总会遇到一些...阻抗匹配(impedance matching) 信号源内阻所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输

    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。一般情况下,需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。

    阻抗匹配(impedance matching) 信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态,简称为阻抗匹配。否则,便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。阻抗匹配的目的就是实现功率的最大传输。

    匹配过程的Q值设置要点:

    Q值越大 带宽就越小,反之就越大。

           加入等Q 值圆可以有效的避免带宽问题。Q值越小,越容易实现宽带匹配。

    ADS使用 Smith匹配过程(输入匹配)

    设匹配要求:

                           输入端口阻抗:Zs = 12 + j*25欧

                         源端口:Z = 50欧

                          工作频率:2.4GHz

    第一步:

    建立原理图,在“Simulation-S_ Param”面板中选取SP控件、Zin 控件件和端口Term放人原理图中,在面板中选取“Smith Chart Matching”加入原理图中,用导线连接,如图所示。

    第二步:

    双击SP控件输入扫描参数,双击端口Term2输入Zs的共轭:12 + j*25欧,下图是已经设置好的。

    第三步:打开Smith圆图工具

    选中Smith控件,执行菜单命令[Tools] -→[ Smith Chart... ],如图。

     

    第四步:设置参数,匹配

    依次设置频率为2.4GHz,选中归一化“Normalize”选项,并将ZS*设为.源端口阻抗50欧,ZL设为输入阻抗12+j*25 欧

    第五步:开始匹配

    设置好上述参数后,在Smith圆图中选中负载点,从负载开始匹配。然后在从左边的元件选择合适的元件进行匹配,比如我的匹配结果。

    匹配的过程可以手动选择合适的元件进行匹配,也可以点击 Auto 2-Element Match进行自动匹配。下面是自动匹配的结果。

    匹配完成后点击下方的Build ADS Circuit按钮生成原理图元件。

    匹配的结果
    生成的元件

    第六步:仿真

    在原理图,快捷键F7启动仿真。在仿真结果界面插入图表,查看匹配结果。

     

                       

     

    仿真结果:

    可以看到,在2.4G  时反射系数最小,说明匹配结果良好。

     

    ADS使用 Smith匹配过程(输出匹配)

    设匹配要求:

                           输出端口阻抗:Zout = 12 + j*25欧

                          负载:Z = 50欧

                          工作频率:2.4GHz

    输出匹配的过程与输入匹配的过类似,有两个地方不一样。

    第一个:

    原理图的端口1为输出端口阻抗Zout ,端口二为负载阻抗Z。

    第二个:在 第四步时,ZS*设为Zout 的共轭阻抗,即ZS* = 12 - j*25,

                                                                                        ZL = 50

    自动匹配的结果及仿真

    自动匹配的电路

     

    输出阻抗自动匹配的匹配结果

     

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  • 超高清彩色阻抗、导纳合并版
  • ADS-Smith圆图 阻抗匹配调试经验总结

    万次阅读 2019-10-09 21:57:02
    本文主要基于ADS和Smith圆图工具对实际产品的射频匹配电路进行总结和经验分享。 匹配知识简介 阻抗匹配的目的就是实现功率的最大传输。关于阻抗匹配的知识在很多书中都有介绍。若找不到书籍资源,可以找我。下...

    (本文已经同步到个人公众号)

    1. 前言:

    随着无线通信的发展,越来越多的芯片都集成了WiFi、蓝牙,甚至WiFi+蓝牙功能。无线通信距离的远近在很大程度上取决于天线和射频匹配电路性能。本文主要基于ADS和Smith圆图工具对实际产品的射频匹配电路进行总结和经验分享。

     

    1. 匹配知识简介

    阻抗匹配的目的就是实现功率的最大传输。关于阻抗匹配的知识在很多书中都有介绍。若找不到书籍资源,可以找我。下图是很多无线产品中用到的天线+匹配电路。如何利用ADS和Smith圆图工具进行阻抗匹配是一个关键的问题。

     

     

    1. 矢量网络分析仪测量天线

    用矢量网络分析仪测量天线阻抗,S11、VSWR等参数。保存为 S1P文件。注意:S1P文件保存后用Smith圆图工具打开,检查是否正确。这一步很关键,关系到后面ADS的使用。下图是Smith圆图工具,可网上下载,也可以找我要。

     

    正确的格式:频率+S11实部+S11虚部。

     

    错误的格式:频率 + S11 + S11 Angle

     

           当然,用Smith圆图工具也能进行阻抗匹配。只要知道相应的规则,就很容易进行串联并联器件。之所以用ADS,是因为ADS中有Tuning功能,可以手调器件参数。好玩!!!

     

    1. ADS中新建工程。

    S1P设置中选中你刚刚测试天线的S1P文件。由于我的只需要并联一个电感,所有只设置了一个电感。实际可以根据匹配的规则进行初步放置器件。

     

           如下图,就是点击 Tuning 按钮后,进行手调参数,可以快速看到S11 的变化。

     

           注:砍掉L1后,点击仿真,可以看到用ADS打开测试的数据,S11,Smith圆图等。

     

    1. 如何串联并联器件?

    这一步很关键,根据测试结果。如何进行匹配呢?下面是规则大招。

     

     

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  • 本文利用史密斯圆图作为RF阻抗匹配的设计指南。文中给出了反射系数、阻抗和导纳的作图范例,并用作图法设计了一个频率为60MHz的匹配网络。实践证明:史密斯圆图仍然是计算传输线阻抗的基本工具。在处理RF系统的实际...

    本文利用史密斯圆图作为RF阻抗匹配的设计指南。文中给出了反射系数、阻抗和导纳的作图范例,并用作图法设计了一个频率为60MHz的匹配网络。

    实践证明:史密斯圆图仍然是计算传输线阻抗的基本工具。

    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。一般情况下,需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。

    在高频端,寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹以上时,理论计算和仿真已经远远不能满足要求,为了得到适当的最终结果,还必须考虑在实验室中进行的RF测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。

    有很多种阻抗匹配的方法,包括:计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配,所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外,除非计算机是专门为这个用途制造的,否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。

    手工计算: 这是一种极其繁琐的方法,因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。

    经验: 只有在RF领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之,它只适合于资深的专家。

    史密斯圆图:本文要重点讨论的内容。

    本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识,并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例,比如找出匹配网络元件的数值。当然,史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络,还能帮助设计者优化噪声系数,确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。

    图1. 阻抗和史密斯圆图基础

    基础知识

    在介绍史密斯圆图的使用之前,最好回顾一下RF环境下(大于100MHz) IC连线的电磁波传播现象。这对RS-485传输线、PA和天线之间的连接、LNA和下变频器/混频器之间的连接等应用都是有效的。

    大家都知道,要使信号源传送到负载的功率最大,信号源阻抗必须等于负载的共轭阻抗,即:Rs + jXs = RL - jXL

    图2. 表达式Rs + jXs = RL - jXL的等效图

    在这个条件下,从信号源到负载传输的能量最大。另外,为有效传输功率,满足这个条件可以避免能量从负载反射到信号源,尤其是在诸如视频传输、RF或微波网络的高频应用环境更是如此。

    史密斯圆图

    史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。正确的使用它,可以在不作任何计算的前提下得到一个表面上看非常复杂的系统的匹配阻抗,唯一需要作的就是沿着圆周线读取并跟踪数据。

    史密斯圆图是反射系数(伽马,以符号

    表示)的极座标图。反射系数也可以从数学上定义为单端口散射参数,即s11。

    史密斯圆图是通过验证阻抗匹配的负载产生的。这里我们不直接考虑阻抗,而是用反射系数

    L,反射系数可以反映负载的特性(如导纳、增益、跨导),在处理RF频率的问题时,

    L更加有用。

    我们知道反射系数定义为反射波电压与入射波电压之比:

    图3. 负载阻抗

    负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。反射系数的表达式定义为:

    由于阻抗是复数,反射系数也是复数。

    为了减少未知参数的数量,可以固化一个经常出现并且在应用中经常使用的参数。这里Zo (特性阻抗)通常为常数并且是实数,是常用的归一化标准值,如50

    、75

    、100

    和600

    。于是我们可以定义归一化的负载阻抗:

    据此,将反射系数的公式重新写为:

    从上式我们可以看到负载阻抗与其反射系数间的直接关系。但是这个关系式是一个复数,所以并不实用。我们可以把史密斯圆图当作上述方程的图形表示。

    为了建立圆图,方程必需重新整理以符合标准几何图形的形式(如圆或射线)。

    首先,由方程2.3求解出;

    并且

    令等式2.5的实部和虚部相等,得到两个独立的关系式:

    重新整理等式2.6,经过等式2.8至2.13得到最终的方程2.14。这个方程是在复平面(

    r,

    i)上、圆的参数方程(x-a)2 + (y-b)2 = R2,它以(r/r+1, 0)为圆心,半径为1/1+r.

    更多细节参见图4a。

    图4a. 圆周上的点表示具有相同实部的阻抗。例如,R=1的圆,以(0.5, 0)为圆心,半径为0.5。它包含了代表反射零点的原点(0, 0) (负载与特性阻抗相匹配)。以(0,0)为圆心、半径为1的圆代表负载短路。负载开路时,圆退化为一个点(以1,0为圆心,半径为零)。与此对应的是最大的反射系数1,即所有的入射波都被反射回来。

    在作史密斯圆图时,有一些需要注意的问题。下面是最重要的几个方面:所有的圆周只有一个相同的,唯一的交点(1, 0)。

    代表0

    、也就是没有电阻(r = 0)的圆是最大的圆。

    无限大的电阻对应的圆退化为一个点(1, 0)

    实际中没有负的电阻,如果出现负阻值,有可能产生振荡。

    选择一个对应于新电阻值的圆周就等于选择了一个新的电阻。

    作图

    经过等式2.15至2.18的变换,2.7式可以推导出另一个参数方程,方程2.19。

    同样,2.19也是在复平面(

    r,

    i)上的圆的参数方程(x-a)2 + (y-b)2 = R2,它的圆心为(1, 1/x),半径1/x。

    更多细节参见图4b。

    图4b. 圆周上的点表示具有相同虚部x的阻抗。例如,x=1的圆以(1, 1)为圆心,半径为1。所有的圆(x为常数)都包括点(1, 0)。与实部圆周不同的是,x既可以是正数也可以是负数。这说明复平面下半部是其上半部的镜像。所有圆的圆心都在一条经过横轴上1点的垂直线上。

    完成圆图

    为了完成史密斯圆图,我们将两簇圆周放在一起。可以发现一簇圆周的所有圆会与另一簇圆周的所有圆相交。若已知阻抗为r + jx,只需要找到对应于r和x的两个圆周的交点就可以得到相应的反射系数。

    可互换性

    上述过程是可逆的,如果已知反射系数,可以找到两个圆周的交点从而读取相应的r和x的值。过程如下:确定阻抗在史密斯圆图上的对应点

    找到与此阻抗对应的反射系数 (

    )

    已知特性阻抗和

    ,找出阻抗

    将阻抗转换为导纳

    找出等效的阻抗

    找出与反射系数对应的元件值(尤其是匹配网络的元件,见图7)

    推论

    因为史密斯圆图是一种基于图形的解法,所得结果的精确度直接依赖于图形的精度。下面是一个用史密斯圆图表示的RF应用实例:

    例: 已知特性阻抗为50

    ,负载阻抗如下:

    Z1 = 100 + j50

    Z2 = 75 -j100

    Z3 = j200

    Z4 = 150

    Z5 =

    (开路)Z6 = 0 (短路)Z7 = 50

    Z8 = 184 -j900

    对上面的值进行归一化并标示在圆图中(见图5):

    z1 = 2 + jz2 = 1.5 -j2z3 = j4z4 = 3

    z5 = 8z6 = 0z7 = 1z8 = 3.68 -j18S

    图5. 史密斯圆图上的点

    现在可以通过图5的圆图直接解出反射系数

    。画出阻抗点(等阻抗圆和等电抗圆的交点),只要读出它们在直角坐标水平轴和垂直轴上的投影,就得到了反射系数的实部

    r和虚部

    i (见图6)。

    该范例中可能存在八种情况,在图6所示史密斯圆图上可以直接得到对应的反射系数

    1 = 0.4 + 0.2j 2 = 0.51 - 0.4j 3 = 0.875 + 0.48j 4 = 0.5

    5 = 1 6 = -1 7 = 0 8 = 0.96 - 0.1j

    图6. 从X-Y轴直接读出反射系数

    的实部和虚部

    用导纳表示

    史密斯圆图是用阻抗(电阻和电抗)建立的。一旦作出了史密斯圆图,就可以用它分析串联和并联情况下的参数。可以添加新的串联元件,确定新增元件的影响只需沿着圆周移动到它们相应的数值即可。然而,增加并联元件时分析过程就不是这么简单了,需要考虑其它的参数。通常,利用导纳更容易处理并联元件。

    我们知道,根据定义Y = 1/Z,Z = 1/Y。导纳的单位是姆欧或者

    -1 (早些时候导纳的单位是西门子或S)。并且,如果Z是复数,则Y也一定是复数。

    所以Y = G + jB (2.20),其中G叫作元件的“电导”,B称“电纳”。在演算的时候应该小心谨慎,按照似乎合乎逻辑的假设,可以得出:G = 1/R及B = 1/X,然而实际情况并非如此,这样计算会导致结果错误。

    用导纳表示时,第一件要做的事是归一化, y = Y/Yo,得出 y = g + jb。但是如何计算反射系数呢?通过下面的式子进行推导:

    结果是G的表达式符号与z相反,并有

    (y) = -

    (z).

    如果知道z,就能通过将的符号取反找到一个与(0,0)的距离相等但在反方向的点。围绕原点旋转180°可以得到同样的结果。(见图7).

    图7. 180°度旋转后的结果

    当然,表面上看新的点好像是一个不同的阻抗,实际上Z和1/Z表示的是同一个元件。(在史密斯圆图上,不同的值对应不同的点并具有不同的反射系数,依次类推)出现这种情况的原因是我们的图形本身是一个阻抗图,而新的点代表的是一个导纳。因此在圆图上读出的数值单位是姆欧。

    尽管用这种方法就可以进行转换,但是在解决很多并联元件电路的问题时仍不适用。

    导纳圆图

    在前面的讨论中,我们看到阻抗圆图上的每一个点都可以通过以

    复平面原点为中心旋转180°后得到与之对应的导纳点。于是,将整个阻抗圆图旋转180°就得到了导纳圆图。这种方法十分方便,它使我们不用建立一个新图。所有圆周的交点(等电导圆和等电纳圆)自然出现在点(-1, 0)。使用导纳圆图,使得添加并联元件变得很容易。在数学上,导纳圆图由下面的公式构造:

    解这个方程

    接下来,令方程3.3的实部和虚部相等,我们得到两个新的独立的关系:

    从等式3.4,我们可以推导出下面的式子:

    它也是复平面 (

    r,

    i)上圆的参数方程(x-a)2 + (y-b)2 = R2 (方程3.12),以(-g/g+1, 0)为圆心,半径为1/(1+g)。

    展开全文
  • 摘要:本文利用史密斯圆图作为RF阻抗匹配的设计指南。文中给出了反射系数、阻抗和导纳的作图范例,并给出了 MAX2474工作在 900MHz时匹配网络的作图范例。
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    使用史密斯圆图分析匹配网络的步骤
    

    ①将匹配网络按照串并联分成若干段,每一段对应一个阻抗图或导纳图上的一个点;

    ②根据工作频率,计算出串联元件的电阻(电阻器)或电抗(电容器与电感器),并联元件的电导(电阻器)或电纳(电容器与电感器),其中电感器的电抗等于感抗取正值,电容器的电抗等于容抗取负值,电感器的电纳等于感抗取负倒数,电容器的电纳等于容抗取正倒数;

    ③根据特性电阻,将各个元器件对应的电阻、电抗、电导、电纳正规化,在阻抗图上为z=Z/Z0=r+jx,在导纳图上为y=Y/Y0=g+jb,其中Z=R+jX,Y=G+jB;

    ④从离端口最远的分段开始分析,并将该段对应的点标志在阻抗图上,这个点便是分析的起始点;

    ⑤若该段上的元件是串联的,则要在阻抗图上进行处理,具体步骤如下:
    a.若前一次处理是在导纳图中进行的,则需要把前一次处理得到的导纳点以原点为中心取对称点,这样便得到了前一次处理所对应的阻抗点,若前一次处理是在阻抗图中完成的,则忽略此步骤;
    b1.沿着上述阻抗点对应的电阻圆添加该段所对应的正规化电抗,这时得到一个中间点;
    c1.再沿着这个中间点对应的电抗圆添加该段所对应的正规化电阻;
    或者
    b2.沿着上述阻抗点对应的电抗圆添加该段所对应的正规化电阻,这时得到一个中间点;
    c2.再沿着这个中间点对应的电阻圆添加该段所对应的正规化电抗;
    d.此时,便得到该段所对应的阻抗点;

    ⑥若该段上的元件是并联的,则要在导纳图上进行处理,具体步骤如下:
    a.若前一次处理是在阻抗图中进行的,则需要把前一次处理得到的阻抗点以原点为中心取对称点,这样便得到了前一次处理所对应的导纳点,若前一次处理是在导纳图中完成的,则忽略此步骤;
    b1.沿着上述导纳点对应的电导圆添加该段所对应的正规化电纳,这时得到一个中间点;
    c1.再沿着这个中间点对应的电纳圆添加该段所对应的正规化电导;
    或者
    b2.沿着上述导纳点对应的电纳圆添加该段所对应的正规化电导,这时得到一个中间点;
    c2.再沿着这个中间点对应的电导圆添加该段所对应的正规化电纳;
    d.此时,便得到该段所对应的导纳点;

    ⑦按照离端口由远至近的顺序,逐段重复⑤或⑥的处理,直至全部处理完成,此时便得到了该匹配网络的正规化阻抗。





    阻抗匹配的本质就是使负载的阻抗加上匹配网络的阻抗,等于信号源的阻抗的共轭。
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史密斯圆图与阻抗匹配