摘要: 为使射频级间匹配电路的设计有章可循, 应用 Smith 圆图分析电感、电容和电阻对匹配反射系数的影响. 提出了一种基于 Smith 圆图的射频级间匹配电路计方法. 通过单频点级间匹配电路的设计实例, 给出了匹配电路的设计步骤、电路拓扑结构和元件类型的选择方法.
在射频电路中, 当波长与分立电路元件的几何尺寸处于同一数量级时, 必须考虑电压和电流的空间特性[1], 此时基尔霍夫电路定律不能直接应用. 这是射频电子线路与低频电路的明显区别.
射频信号在线路板上传输时, 必须经过低噪声放大、滤波、混频等各种单元电路. 这些单元电路的输入、输出阻抗一般均为复数形式. 在射频电路设计时, 为了兼顾信号在各单元电路中的功率和噪声分配, 通常是在单元电路之间插入无源网络[1- 2], 即级间匹配电路, 完成前后级电路的阻抗匹配. 因此, 级间匹配电路设计是射频电路设计的重要组成部分. 许多实际的级间匹配电路除了能降低功能损耗外, 同时还具有降低噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应线性度等功能[3- 4]. 但级间匹配电路最主要的功能是实现阻抗变换[5], 即将事先给定的阻抗值变换成更合适的阻抗值.
现代射频电路设计对设计者经验、仿真工具和高档实验仪器( 如网络分析仪) 等的依赖性很强, 很难找到具体的设计参考资料. 本文中作者根据实际的设计经验, 结合通信专用仿真工具 ADS, 提出了一种基于Smith 圆图的射频级间匹配电路设计方法. 设计人员根据该方法, 能够清晰认识电路的设计步骤、电路的拓扑结构、电路元件的类型及其参数的变化趋向, 顺利完成射频级间匹配电路的设计.
1 不同元件对匹配电路反射系数的影响
匹配电路的功能是实现前、后级电路的阻抗或者反射系数的转换, 转换分析的工具主要是 Smith 圆图. 常用的匹配元件主要有各种类型的电感、电容、电阻和微带线等[1- 3]微带线是一种比较常用的匹配元件, 由线路板的分布参数确定. 微带线有阻抗和长度 2 个参数, 可以容易地在某一频率上形成感抗、容抗或纯电阻, 也就是说, 从功能上讲微带线可以分别构成等效电感、电容和电阻. 本文中提及的电感、电容和电阻既可以是集中参数元件也可以是分布参数元件. 由于电阻具有全频带特性, 需要消耗功率, 因此电阻在匹配电路中用得很少.
通过 ADS 软件仿真, 可以得到不同电路元件( 电感 L、电容 C 和电阻 R) 在串联或并联时, 匹配电路的反射系数在Smith圆图上的变化规律, 如图 1 所示.
假设图 1 中的 m1 为电路匹配的源点. 若在该点串联或并联一个元件, 则整个电路的反射系数将偏离 m1点, 元件参数不同对应的偏离量也不同. 因此, 电感、电容和电阻等3种元件的 串和并联将形成图1中L_shunt、L_series、C_shunt、C_series、R_shunt 和 R_series 等 6 条不同的轨迹曲线. 这 6 条曲线构成一个完整的等电阻圆、一个等电导圆和 2 指数渐近线, 6 条曲线的起点均为 m1, 并联和串联时的讫点分别为 A 和 B.其中, A 对应的反射系数是 1∠180°; B 点对应的反射系数是1∠0°. 图 1 表明, 并联电抗 元件会使 Smith圆图上相应的反射系数沿等电导圆向 A 点移动; 串联电抗元件会使 Smith 圆图上的相应反射系数沿等电阻圆向 B 点移动. 根据这些变化规律, 就可以选择匹配元件以及匹配电路的拓扑结构.
