几种常见匹配电路的设计与仿真_专栏

一、什么是阻抗匹配

阻抗匹配是微波电路设计领域中必不可少的一部分。在一段微波传输线上，电压与电流的比值称为特性阻抗；在传输线的终端，即负载两端，电压和电流的比值就等于负载阻抗。当负载阻抗与特性阻抗不同时，传输线上的电压电流与负载上的电压电流不连续，此时，就会产生一部分反射波。当负载阻抗等于特性阻抗时，便不会产生反射，负载吸收全部能量。
阻抗匹配的目的便是使得某一段传输线的特性阻抗等于等效的负载阻抗，实现最大的能量传输。

如图，阻抗匹配时，从匹配网络向负载方向看过去的输入阻抗Zin等于传输线的特性阻抗Z0，也就是说，传输线和匹配网络之间没有反射波的存在。一般来说，匹配网络是无耗的，虽然匹配网络与负载之间依旧存在反射，但由于匹配网络的无耗性，使得最终能量还是会被负载所吸收。
本篇文章将介绍几种常见匹配网络的设计与仿真，包括：L型匹配网络，单短截线网络以及双短截线网络。我们将借助Smith圆图，使用ADS(Advanced Design System 2016)仿真设计软件来进行匹配网络的研究。

二、L型匹配网络

L型网络是最简单的匹配网络，如图所示，这种网络一共有两种结构。

那我们何种情况使用何种结构呢？这里给出一个判断方法：在Smith圆图上，若归一化负载阻抗在单位电阻圆内部，则用第一种结构；若归一化负载阻抗在单位电阻圆外部，则使用第二种结构。
下面，我们就来设计一个L型阻抗匹配网络，要求在频率为500MHz处，匹配ZL=200-j100Ω的负载到特性阻抗为100Ω的传输线。

1.使用Smith圆图创建匹配网络

新建一个原理图文件，在Smith Chart Matching中的Smith圆图控件拖入到原理图文件，如图：

进入tool/Smith Chart Utility设置Smith圆图参数，在红线圈中的部分设置特性阻抗以及工作频率，如图：

点击红线圈中的部分设置传输线与负载信息，这里我们默认信号源与传输线匹配，因此我们的源阻抗也设置为100欧姆，如图:

设置完成之后，我们点击ok，至此，我们的传输线以及负载信息已经设置完毕。这时候我们可以看到，圆图上已经出现了负载和信号源对应的点。

接下来我们开始设计L型匹配网络。显然，负载在圆图上的位置在r=1的电阻圆内部，因此，我们使用第一种L型网络，即靠近负载的是并联器件。我们从负载开始连接器件。这里，并联器件我们既可以选择电容，也可以选择电感，我们只要使得连接后的归一化输入阻抗位置从当前负载的位置移动到r=1的电阻圆上，这样，我们在连接串联器件后才有可能到达匹配点（圆心），如图（上图为并联电感，下图为并联电容）：

接着，我们只需要接一个串联器件，使得归一化输入阻抗点移动到圆心即可，如图（这里我接的是串联的电感）：

点击红圈中的按钮，生成我们的L型匹配电路

查看我们生成的电路

2.连接完整电路，进行仿真

选择Simulation-S_Param中的Term控件以及SP控件，连接完整电路：

双击SP控件，设置扫频范围为0.1GHz-1GHz，扫频步进为0.001GHz，如图：

修改源和负载的阻抗，完整电路如下：

点击Simulate，进行仿真。点击完Simulate按钮后，会弹出一个窗口，我们还需要主动创建S11曲线，如图：

之后会弹出一个窗口，双击我们需要的S11，单位选择dB，一路ok即可，最终会生成仿真结果：

我们可以点击红圈中的按钮加入标记，最终结果如下：

可以看到，我们的电路在500MHz处实现匹配，回波损耗为-54.351dB。
L型匹配网络是最简单的匹配网络，在1Ghz频率以下是我们的最优选择。但在更高的频率范围之上，像L型匹配网络这种集总元件电路是不能采用的。因此，在微波领域，我们常常采用其他匹配技术。

三、单短截线匹配网络

如图，这种匹配网络原理是：在距离负载的某个位置并联或串联一段短截线来实现阻抗的匹配。

一段传输线上的驻波比是不变的，这就意味着在Smith圆图上，一段传输线只能使归一化输入阻抗点在等驻波比圆（圆心在原点的一系列同心圆）上移动，因此我们仅仅使用一段传输线是不能实现阻抗匹配的。但是我们可以利用一定长度的传输线，使得归一化输入阻抗点移动到r=1的电阻圆上，此时归一化输入阻抗的电阻部分为1，这时，我们只需要想办法将归一化输入阻抗的电抗部分消去，即可实现阻抗匹配。因为并联短截线容易制成微带线或带状线的形式，所以我们常使用并联短截线。
下面我们设计一个单短截线匹配网络。要求负载依旧是200-j100Ω，特性阻抗为100欧姆，工作频率在2GHz。

1.利用Smith圆图设计电路

设置传输线以及负载信息：

从负载开始连接电路，首先选择一段传输线，将归一化输入阻抗移动到单位电导圆上（这是因为短截线是并联在传输线上的，因此需要使用导纳圆图），如图：

接着，我们既可以选择开路短截线，也可以选则短路短截线，只要将归一化输入阻抗点移动到原点即可，这里我选择短路短截线。如图：

生成的电路图如下：

2.连接完整电路，进行仿真

完整电路如下：

仿真结果如下：

三、双短截线匹配网络

单短截线匹配网络有一个局限性，在调谐时我们不仅需要调整短截线的长度，还需要调整短截线的接入位置。调整前者，我们可以借助活塞等方法实现，但是匹配网络一旦制作完成，短截线的接入位置就很难再改变，这就意味着我们无法使用单短截线制作一个可调的匹配网络。双短截线匹配技术很好地解决了该问题。如图，双短截线匹配网络在调谐时，只需要调整两个短截线的长度即可，这样，我们很轻松就可以实现一个可调的匹配调谐网络。

双短截线比单短截线要复杂一些，下面我们来设计一个双短截线的匹配网络。要求负载为60-j80Ω，特性阻抗为50Ω，两个短截线均为开路短截线，之间相距λ/8，在2GHz处实现匹配。
一般情况下，我们设置负载到最近的短截线之间的距离为λ/8，信号源到最近的短截线之间的距离为3λ/8。

1.利用Smith圆图设计匹配网络

设置负载阻抗以及特性阻抗、工作频率等参数。如图：

从负载开始连接电路，首先设置一段长为λ/8的传输线(λ/8对应的电场度为45°)，如图：

然后连接一段开路短截线，先不设置长度，接着再连接一段长度为λ/8的传输线，如图：

调整第一个短截线的长度，使得归一化输入阻抗对应的点落到单位电导圆上，如图：

连接另一个短截线，实现匹配，如图：

再接入3λ/8长度的传输线(对应电长度为135°），如图;

导出匹配电路，查看电路：