一种超宽带阻抗匹配网络设计方法技术

本发明专利技术公开了一种通用的超宽带射频电路阻抗匹配网络的设计方法，在射频电路的射频输入端或是射频输出端外加一个宽带匹配网络，该宽带匹配网络可采用Ｔ型匹配网络、π型匹配网络或是混合型匹配网络中的一种，匹配网络中的元件可以是电感或是电容，将所设计的射频电路的输入反射系数Ｓ１１或是输出反射系数Ｓ２２在史密斯圆图中表示出来，通过匹配网络中串联或是并联电感或是电容，使得Ｓ１１或是Ｓ２２曲线在史密斯圆图内改变，最终使得这两段曲线全部落在－１０ｄＢ阻抗匹配圆内，从而使得该射频电路在超宽带频带内实现阻抗匹配。采用该方法可以方便设计出最优的超宽带匹配网络，以低噪声放大器（ＬＮＡ）为例，针对任意给定的ＬＮＡ结构，通过在输入输出匹配网络中插入一个或若干个电感或电容，即可得到优化的匹配网络。在匹配网络设计过程中，通过调整元件连接方式和大小来调整反射系数曲线在史密斯圆图的位置使其能够在整个设计频段范围内移动到－１０ｄＢ等反射系数圆内，达到在较宽频带范围内完成良好阻抗匹配的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及射频电路设计领域，具体涉及射频电路中宽带匹配网络电路的设计方法。
技术介绍
随着无线通信技术的发展，一种具有数据传输速率高、抗干扰能力强、功耗低等特 点的短距高速无线接入技术——超宽带(UWB)技术得到了人们的广泛关注。它解决了困扰 无线技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度 低、有低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点，尤其适用于室内等密 集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。与传统的窄带射频电路相比，UffB射频收发 系统中，对射频电路的工作带宽有一定的限制，一般定义为相对带宽大于20%，或是绝对带 宽大于500MHz，因而就不能采用传统的反馈电路的方式，通过适当牺牲增益等参数指标来 达到拓展带宽的目的，然而对于超宽带射频电路的设计，这种设计方法已经无法满足要求， 必须采用适当的超宽带匹配网络电路来达到超宽带匹配的目的。所谓阻抗匹配(impedance matching)是指负载阻抗与信号源内阻抗或与传输线 波阻抗之间特定的配合关系。它是进行射频集成电路设计首先必须考虑的问题，是判断射 频电路设计是否正确的一个重要标准。不管是对电路的输入阻抗还是输出阻抗，阻抗匹配 时不可缺少的，而且是非常重要的，其目的是使电路获得最大传输功率或者最小噪声系数。 阻抗不匹配意味着在信号源和负载之间存在电压或是功率的反射，这会给射频电路设计带 来一系列问题，譬如，造成输出功率的不稳定性和额外功率损失，产生额外失真和准噪声， 以及引起射频信号源的损坏和晶体管击穿等。一般的网络匹配方式有两种一是以获得最小噪声系数为目的的噪声匹配，二是 以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配，要求信号源阻抗与负载阻抗达到 共轭匹配，转化到输入和输出端口，即只需要将输入阻抗和输出阻抗分别与信号源和负载 阻抗相匹配。一般来说，现在绝大多数的电路结构均采用后一种匹配方法，这样可以避免不 匹配而引起电路向天线的能量反射，同时，力求两种匹配接近。而在以往的研究中，匹配网 络的设计仅仅是局限于某一个频率点附近的窄带匹配网络设计。如文献介绍了利用史 密斯圆图来进行阻抗匹配的设计方法，该方法只能用于简单的窄带匹配网络设计，并没有 提及可工作在宽频带范围内的匹配网络设计。由于超宽带射频电路的工作带宽很宽，且匹配电路中所连接的电感和电容等元件 随频率变化大，因而单纯依据电路设计人员自身的经验来进行电路设计的难度大、耗时长， 无规律可循。文献介绍了一种利用数值优化技术来进行宽带网络匹配的设计方法，首 先采用实频技术对宽带阻抗匹配电路的频率响应进行研究，并确定匹配电路的结构及其初 始参数，然后再利用数值优化技术对各电路参数进行优化，最终实现宽带范围内的阻抗匹 配。该设计方法虽然能够较好地完成阻抗匹配但运算过程较复杂，不便于操作。本专利技术给 出了一种设计超宽带匹配网络电路的系统性设计方法，利用史密斯圆图来进行超宽带阻抗匹配的设计，可以方便快捷的设计出所需的超宽带匹配网络。. R. Ludwig,P. bretchko, RF Circuit Design :Theory and Applications. 王子宇，张肇仪，徐承和等译，电子工业出版社，2002 270-287., 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.
技术实现思路
现有传统的阻抗匹配方法一般只考虑中心频率点阻抗的变化，它将整个频段范围 内的阻抗曲线用它的中心频率点来代替，通常只适用于窄带或者单频点的阻抗匹配。与传 统方法不同的是，本专利技术将史密斯圆图应用到超宽带电路的输入输出匹配当中，提出了一 种利用史密斯圆图在超宽带范围内进行匹配网络优化设计的方法，保证电路在较宽频率范 围内保持良好的输入输出匹配特性，使得匹配网络设计相对较简单直观，易操作，且效果较 好。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下。首先，对已经完成核心结构设计的电 路，利用射频电路设计的相关软件对其进行S参数(散射参量矩阵)的仿真，得到输入反射 系数S11和输出反射系数S22的史密斯圆图。图中曲线上的任意一点同时对应着带宽范围内 电路在某一频率所对应的输入或输出阻抗值，其对应关系为 S11_ Zin — Zs ο _ Zout - ZlZia+ZsZoat+Zl 或以dB形式表示为 S11CdB) = 20 IgZinS22(dB) = 201gZout ~ ZlZoat+Zl 可以看出，当输入阻抗Zin和输出阻抗Z。ut分别与信号源阻抗Zs和负载阻抗\达 到匹配即Zin = Zs和Z。ut = Zl时，输入和输出反射系数为零，此时电路达到完全匹配状态。 由于在射频电路设计中，信号源阻抗Zs和负载阻抗&通常为50Ω (即Zs = Rs = & = & = 50 Ω)，因此，完全匹配时，输入输出阻抗满足关系式Zin = Z。ut = 50Ω。输入和输出匹配网 络与核心电路结构的连接关系如图1所示。一般情况下，完全匹配不容易达到，通常意义上 所讲的阻抗匹配只需将反射系数控制在-IOdB以下即可，即只需满足 Sn(dB) = 201gΖ η-50ΩZin+50Ω<-IOdB, S22 (dB) = 20 IgZout—50ΩZout+50Ω<10dB接下来，观察S11和S22曲线在圆图中的位置，看它们是否落在-IOdB等反射系数 圆内，若曲线全部落在圆内则完成匹配。一般情况下，在进行输入输出阻抗匹配网络设计之 前，S11和S22曲线是不会完全落在-IOdB等反射系数圆内的，此时需要进行匹配网络设计。 根据构成的元件数目及其连接方式不一样，匹配网络常见的结构分为Γ型、Π型、T型和混 合型等，如图2所示。最后，在输入或输出匹配阻抗网络中并联或串联一个或若干电感或电容，通过调 整电感或电容的连接方式和大小，就能使S11或S22曲线在史密斯圆图上移动，当它们在整个4设计频段范围内移动到-IOdB反射系数圆内时，电路达到匹配状态，从而完成了超宽带阻 抗匹配网络的设计。在匹配的过程中，一般不加入电阻，电阻属于有耗元件，会额外增加功 耗，并恶化噪声系数。另外，为了操作的方便，一般先对输入网络进行匹配，待匹配完成后再 进行输出阻抗网络的匹配。本专利技术所述的超宽带网络匹配方法不需要进行人工计算，不需要计算输入阻抗Zin 和输出阻抗Z。ut的大小，只需要将史密斯圆图的对应的曲线通过软件插入若干元件后进行 调整就能完成匹配，且匹配过程相对简单，并能较好实现匹配功能。附图说明图1输入和输出匹配网络图2匹配网络的电路结构图3阻抗不匹配图4阻抗部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽带阻抗匹配网络设计方法，其特征在于，对于已经完成偏置电路设计的电路结构，对其进行散射参量矩阵Ｓ参数的仿真，得到输入反射系数Ｓ↓［１１］和输出反射系数Ｓ↓［２２］的史密斯圆图；在匹配阻抗网络中并联或串联一个或若干电感或电容，形成Ｔ型匹配电路或是π型匹配电路，通过调整电感或电容的连接方式和大小，使反射系数（Ｓ↓［１１］或Ｓ↓［２２］）曲线发生移动，选择史密斯圆图曲线上的任意一点代表带宽范围内网络在某一频率所对应的输入或输出阻抗值，在史密斯圆图的寻找一点使得输入输出反射系数为零，电路达到完全匹配状态，完成超宽带匹配阻抗网络设计。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，彭能，罗元，韩冰，熊媛，王颖，王岳生，冯世娟，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：85[]