阻抗匹配與史密斯(Smith)圓圖原理解析

2017-05-02  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

事實證明,史密斯圓圖仍然是確定傳輸線阻抗的基本工具。

在處理RF系統(tǒng)的實際應(yīng)用問題時,總會遇到一些非常困難的工作,對各部分級聯(lián)電路的不同阻抗進行匹配就是其中之一。一般情況下,需要進行匹配的電路包括天線與低噪聲放大器(LNA)之間的匹配、功率放大器輸出(RFOUT)與天線之間的匹配、LNA/VCO輸出與混頻器輸入之間的匹配。匹配的目的是為了保證信號或能量有效地從“信號源”傳送到“負(fù)載”。

在高頻端,寄生元件(比如連線上的電感、板層之間的電容和導(dǎo)體的電阻)對匹配網(wǎng)絡(luò)具有明顯的、不可預(yù)知的影響。頻率在數(shù)十兆赫茲以上時,理論計算和仿真已經(jīng)遠遠不能滿足要求,為了得到適當(dāng)?shù)淖罱K結(jié)果,還必須考慮在實驗室中進行的RF測試、并進行適當(dāng)調(diào)諧。需要用計算值確定電路的結(jié)構(gòu)類型和相應(yīng)的目標(biāo)元件值。

有很多種阻抗匹配的方法,包括

• 計算機仿真: 由于這類軟件是為不同功能設(shè)計的而不只是用于阻抗匹配,所以使用起來比較復(fù)雜。設(shè)計者必須熟悉用正確的格式輸入眾多的數(shù)據(jù)。設(shè)計人員還需要具有從大量的輸出結(jié)果中找到有用數(shù)據(jù)的技能。另外,除非計算機是專門為這個用途制造的,否則電路仿真軟件不可能預(yù)裝在計算機上。

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• 手工計算: 這是一種極其繁瑣的方法,因為需要用到較長(“幾公里”)的計算公式、并且被處理的數(shù)據(jù)多為復(fù)數(shù)。

• 經(jīng)驗: 只有在RF領(lǐng)域工作過多年的人才能使用這種方法?？傊?它只適合于資深的專家。

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• 史密斯圓圖:本文要重點討論的內(nèi)容。

本文的主要目的是復(fù)習(xí)史密斯圓圖的結(jié)構(gòu)和背景知識,并且總結(jié)它在實際中的應(yīng)用方法。討論的主題包括參數(shù)的實際范例,比如找出匹配網(wǎng)絡(luò)元件的數(shù)值。當(dāng)然,史密斯圓圖不僅能夠為我們找出最大功率傳輸?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò),還能幫助設(shè)計者優(yōu)化噪聲系數(shù),確定品質(zhì)因數(shù)的影響以及進行穩(wěn)定性分析。

圖1. 阻抗和史密斯圓圖基礎(chǔ)

基礎(chǔ)知識

在介紹史密斯圓圖的使用之前,最好回顧一下RF環(huán)境下(大于100MHz) IC連線的電磁波傳播現(xiàn)象。這對RS-485傳輸線、PA和天線之間的連接、LNA和下變頻器/混頻器之間的連接等應(yīng)用都是有效的。

大家都知道,要使信號源傳送到負(fù)載的功率最大,信號源阻抗必須等于負(fù)載的共軛阻抗,即:

RS + jXS = RL - jXL

圖2. 表達式RS + jXS = RL - jXL的等效圖

在這個條件下,從信號源到負(fù)載傳輸?shù)哪芰孔畲蟆Ａ硗?為有效傳輸功率,滿足這個條件可以避免能量從負(fù)載反射到信號源,尤其是在諸如視頻傳輸、RF或微波網(wǎng)絡(luò)的高頻應(yīng)用環(huán)境更是如此。

史密斯圓圖

史密斯圓圖是由很多圓周交織在一起的一個圖。正確的使用它,可以在不作任何計算的前提下得到一個表面上看非常復(fù)雜的系統(tǒng)的匹配阻抗,唯一需要作的就是沿著圓周線讀取并跟蹤數(shù)據(jù)。

史密斯圓圖是反射系數(shù)(伽馬,以符號Γ表示)的極座標(biāo)圖。反射系數(shù)也可以從數(shù)學(xué)上定義為單端口散射參數(shù),即s11。

史密斯圓圖是通過驗證阻抗匹配的負(fù)載產(chǎn)生的。這里我們不直接考慮阻抗,而是用反射系數(shù)ΓL,反射系數(shù)可以反映負(fù)載的特性(如導(dǎo)納、增益、跨導(dǎo)),在處理RF頻率的問題時ΓL更加有用。

我們知道反射系數(shù)定義為反射波電壓與入射波電壓之比:

圖3. 負(fù)載阻抗

負(fù)載反射信號的強度取決于信號源阻抗與負(fù)載阻抗的失配程度。反射系數(shù)的表達式定義為:

由于阻抗是復(fù)數(shù),反射系數(shù)也是復(fù)數(shù)。

為了減少未知參數(shù)的數(shù)量,可以固化一個經(jīng)常出現(xiàn)并且在應(yīng)用中經(jīng)常使用的參數(shù)。這里Z0 (特性阻抗)通常為常數(shù)并且是實數(shù),是常用的歸一化標(biāo)準(zhǔn)值,如50Ω、75Ω、100Ω和600Ω。于是我們可以定義歸一化的負(fù)載阻抗:

據(jù)此,將反射系數(shù)的公式重新寫為:

從上式我們可以看到負(fù)載阻抗與其反射系數(shù)間的直接關(guān)系。但是這個關(guān)系式是一個復(fù)數(shù),所以并不實用。我們可以把史密斯圓圖當(dāng)作上述方程的圖形表示。

為了建立圓圖,方程必需重新整理以符合標(biāo)準(zhǔn)幾何圖形的形式(如圓或射線)。

首先,由方程2.3求解出;

并且

令等式2.5的實部和虛部相等,得到兩個獨立的關(guān)系式:

重新整理等式2.6,經(jīng)過等式2.8至2.13得到最終的方程2.14。這個方程是在復(fù)平面(Γr, Γi)上、圓的參數(shù)方程(x - a)2 + (y - b)2 = R2,它以[r/(r + 1), 0]為圓心,半徑為1/(1 + r)。

更多細(xì)節(jié)參見圖4a。

圖4a. 圓周上的點表示具有相同實部的阻抗。例如,r = 1的圓,以(0.5, 0)為圓心,半徑為0.5。它包含了代表反射零點的原點(0, 0) (負(fù)載與特性阻抗相匹配)。以(0, 0)為圓心、半徑為1的圓代表負(fù)載短路。負(fù)載開路時,圓退化為一個點(以1, 0為圓心,半徑為零)。與此對應(yīng)的是最大的反射系數(shù)1,即所有的入射波都被反射回來。

在作史密斯圓圖時,有一些需要注意的問題。下面是最重要的幾個方面:

• *所有的圓周只有一個相同的,唯一的交點(1, 0)。

• *代表0Ω、也就是沒有電阻(r = 0)的圓是最大的圓。

• *無限大的電阻對應(yīng)的圓退化為一個點(1, 0)

• *實際中沒有負(fù)的電阻,如果出現(xiàn)負(fù)阻值,有可能產(chǎn)生振蕩。

• *選擇一個對應(yīng)于新電阻值的圓周就等于選擇了一個新的電阻。

作圖

經(jīng)過等式2.15至2.18的變換,2.7式可以推導(dǎo)出另一個參數(shù)方程,方程2.19。

同樣,2.19也是在復(fù)平面(Γr, Γi)上的圓的參數(shù)方程(x - a)2 + (y - b)2 = R2,它的圓心為(1, 1/x),半徑1/x。

更多細(xì)節(jié)參見圖4b。

圖4b. 圓周上的點表示具有相同虛部x的阻抗。例如,× = 1的圓以(1, 1)為圓心,半徑為1。所有的圓(x為常數(shù))都包括點(1, 0)。與實部圓周不同的是,x既可以是正數(shù)也可以是負(fù)數(shù)。這說明復(fù)平面下半部是其上半部的鏡像。所有圓的圓心都在一條經(jīng)過橫軸上1點的垂直線上。

完成圓圖

為了完成史密斯圓圖,我們將兩簇圓周放在一起?？梢园l(fā)現(xiàn)一簇圓周的所有圓會與另一簇圓周的所有圓相交。若已知阻抗為r + jx,只需要找到對應(yīng)于r和x的兩個圓周的交點就可以得到相應(yīng)的反射系數(shù)。

可互換性

上述過程是可逆的,如果已知反射系數(shù),可以找到兩個圓周的交點從而讀取相應(yīng)的r和×的值。過程如下:

• *確定阻抗在史密斯圓圖上的對應(yīng)點

• *找到與此阻抗對應(yīng)的反射系數(shù)(Γ)

• *已知特性阻抗和Γ,找出阻抗

• *將阻抗轉(zhuǎn)換為導(dǎo)納

• *找出等效的阻抗

• *找出與反射系數(shù)對應(yīng)的元件值(尤其是匹配網(wǎng)絡(luò)的元件,見圖7)

推論

因為史密斯圓圖是一種基于圖形的解法,所得結(jié)果的精確度直接依賴于圖形的精度。下面是一個用史密斯圓圖表示的RF應(yīng)用

實例:

圖5. 史密斯圓圖上的點

現(xiàn)在可以通過圖5的圓圖直接解出反射系數(shù)Γ。畫出阻抗點(等阻抗圓和等電抗圓的交點),只要讀出它們在直角坐標(biāo)水平軸和垂直軸上的投影,就得到了反射系數(shù)的實部Γr和虛部Γi (見圖6)。

該范例中可能存在八種情況,在圖6所示史密斯圓圖上可以直接得到對應(yīng)的反射系數(shù)Γ:

圖6. 從X-Y軸直接讀出反射系數(shù)Γ的實部和虛部

用導(dǎo)納表示

史密斯圓圖是用阻抗(電阻和電抗)建立的。一旦作出了史密斯圓圖,就可以用它分析串聯(lián)和并聯(lián)情況下的參數(shù)?？梢蕴砑有碌拇?lián)元件,確定新增元件的影響只需沿著圓周移動到它們相應(yīng)的數(shù)值即可。然而,增加并聯(lián)元件時分析過程就不是這么簡單了,需要考慮其它的參數(shù)。通常,利用導(dǎo)納更容易處理并聯(lián)元件。

我們知道,根據(jù)定義Y = 1/Z,Z = 1/Y。導(dǎo)納的單位是姆歐或者Ω-1 (現(xiàn)在導(dǎo)納的單位是西門子或S)。并且,如果Z是復(fù)數(shù),則Y也一定是復(fù)數(shù)。

所以Y = G + jB (2.20),其中G叫作元件的“電導(dǎo)”,B稱“電納”。在演算的時候應(yīng)該小心謹(jǐn)慎,按照似乎合乎邏輯的假設(shè),可以得出:G = 1/R及B = 1/X,然而實際情況并非如此,這樣計算會導(dǎo)致結(jié)果錯誤。

用導(dǎo)納表示時,第一件要做的事是歸一化, y = Y/Y0,得出y = g + jb。但是如何計算反射系數(shù)呢?通過下面的式子進行推導(dǎo):

結(jié)果是G的表達式符號與z相反,并有Γ(y) = -Γ(z)。

如果知道z,就能通過將Γ的符號取反找到一個與(0, 0)的距離相等但在反方向的點。圍繞原點旋轉(zhuǎn)180°可以得到同樣的結(jié)果(見圖7)。

圖7. 180°度旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果

當(dāng)然,表面上看新的點好像是一個不同的阻抗,實際上Z和1/Y表示的是同一個元件(這個新值在圓圖上呈現(xiàn)為一個不同的點,而且反射系數(shù)也不相同,依次類推)。出現(xiàn)這種情況的原因是我們的圖形本身是一個阻抗圖,而新的點代表的是一個導(dǎo)納。因此在圓圖上讀出的數(shù)值單位是西門子。

盡管用這種方法就可以進行轉(zhuǎn)換,但是在解決很多并聯(lián)元件電路的問題時仍不適用。

導(dǎo)納圓圖

在前面的討論中,我們看到阻抗圓圖上的每一個點都可以通過以Γ復(fù)平面原點為中心旋轉(zhuǎn)180°后得到與之對應(yīng)的導(dǎo)納點。于是,將整個阻抗圓圖旋轉(zhuǎn)180°就得到了導(dǎo)納圓圖。這種方法十分方便,它使我們不用建立一個新圖。所有圓周的交點(等電導(dǎo)圓和等電納圓)自然出現(xiàn)在點(-1, 0)。使用導(dǎo)納圓圖,使得添加并聯(lián)元件變得很容易。在數(shù)學(xué)上,導(dǎo)納圓圖由下面的公式構(gòu)造:

解這個方程:

接下來,令方程3.3的實部和虛部相等,我們得到兩個新的獨立的關(guān)系:

從等式3.4,我們可以推導(dǎo)出下面的式子:

它也是復(fù)平面(Γr, Γi)上圓的參數(shù)方程(x - a)2 + (y - b)2 = R2 (方程3.12),以[-g/(g + 1), 0]為圓心,半徑為1/(1 + g)。

從等式3.5,我們可以推導(dǎo)出下面的式子:

同樣得到(x - a)2 + (y - b)2 = R2型的參數(shù)方程(方程3.17)。

求解等效阻抗

當(dāng)解決同時存在串聯(lián)和并聯(lián)元件的混合電路時,可以使用同一個史密斯圓圖,在需要進行從z到y(tǒng)或從y到z的轉(zhuǎn)換時將圖形旋轉(zhuǎn)。

考慮圖8所示網(wǎng)絡(luò)(其中的元件以Z0 = 50Ω進行了歸一化)。串聯(lián)電抗(x)對電感元件而言為正數(shù),對電容元件而言為負(fù)數(shù)。而電納(b)對電容元件而言為正數(shù),對電感元件而言為負(fù)數(shù)。

圖8. 一個多元件電路

這個電路需要進行簡化(見圖9)。從最右邊開始,有一個電阻和一個電感,數(shù)值都是1,我們可以在r = 1的圓周和I=1的圓周的交點處得到一個串聯(lián)等效點,即點A。

下一個元件是并聯(lián)元件,我們轉(zhuǎn)到導(dǎo)納圓圖(將整個平面旋轉(zhuǎn)180°),此時需要將前面的那個點變成導(dǎo)納,記為A'?，F(xiàn)在我們將平面旋轉(zhuǎn)180°,于是我們在導(dǎo)納模式下加入并聯(lián)元件,沿著電導(dǎo)圓逆時針方向(負(fù)值)移動距離0.3,得到點B。然后又是一個串聯(lián)元件?，F(xiàn)在我們再回到阻抗圓圖。

圖9. 將圖8網(wǎng)絡(luò)中的元件拆開進行分析

在返回阻抗圓圖之前,還必需把剛才的點轉(zhuǎn)換成阻抗(此前是導(dǎo)納),變換之后得到的點記為B',用上述方法,將圓圖旋轉(zhuǎn)180°回到阻抗模式。沿著電阻圓周移動距離1.4得到點C就增加了一個串聯(lián)元件,注意是逆時針移動(負(fù)值)。

進行同樣的操作可增加下一個元件(進行平面旋轉(zhuǎn)變換到導(dǎo)納),沿著等電導(dǎo)圓順時針方向(因為是正值)移動指定的距離(1.1)。這個點記為D。最后,我們回到阻抗模式增加最后一個元件(串聯(lián)電感)。于是我們得到所需的值,z,位于0.2電阻圓和0.5電抗圓的交點。至此,得出z = 0.2 + j0.5。如果系統(tǒng)的特性阻抗是50Ω,有Z = 10 + j25Ω (見圖10)。

圖10. 在史密斯圓圖上畫出的網(wǎng)絡(luò)元件

逐步進行阻抗匹配

史密斯圓圖的另一個用處是進行阻抗匹配。這和找出一個已知網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗是相反的過程。此時,兩端(通常是信號源和負(fù)載)阻抗是固定的,如圖11所示。我們的目標(biāo)是在兩者之間插入一個設(shè)計好的網(wǎng)絡(luò)已達到合適的阻抗匹配。

圖11. 阻抗已知而元件未知的典型電路

初看起來好像并不比找到等效阻抗復(fù)雜。但是問題在于有無限種元件的組合都可以使匹配網(wǎng)絡(luò)具有類似的效果,而且還需考慮其它因素(比如濾波器的結(jié)構(gòu)類型、品質(zhì)因數(shù)和有限的可選元件)。

實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法是在史密斯圓圖上不斷增加串聯(lián)和并聯(lián)元件、直到得到我們想要的阻抗。從圖形上看,就是找到一條途徑來連接史密斯圓圖上的點。同樣,說明這種方法的最好辦法是給出一個實例。

我們的目標(biāo)是在60MHz工作頻率下匹配源阻抗(ZS)和負(fù)載阻抗(zL) (見圖11)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定為低通,L型(也可以把問題看作是如何使負(fù)載轉(zhuǎn)變成數(shù)值等于ZS的阻抗,即ZS復(fù)共軛)。下面是解的過程:

圖12. 圖11的網(wǎng)絡(luò),將其對應(yīng)的點畫在史密斯圓圖上

要做的第一件事是將各阻抗值歸一化。如果沒有給出特性阻抗,選擇一個與負(fù)載/信號源的數(shù)值在同一量級的阻抗值。假設(shè)Z0為50Ω。于是zS = 0.5 - j0.3, z*S = 0.5 + j0.3, ZL = 2 - j0.5。

下一步,在圖上標(biāo)出這兩個點,A代表zL,D代表z*S

然后判別與負(fù)載連接的第一個元件(并聯(lián)電容),先把zL轉(zhuǎn)化為導(dǎo)納,得到點A'。

確定連接電容C后下一個點出現(xiàn)在圓弧上的位置。由于不知道C的值,所以我們不知道具體的位置,然而我們確實知道移動的方向。并聯(lián)的電容應(yīng)該在導(dǎo)納圓圖上沿順時針方向移動、直到找到對應(yīng)的數(shù)值,得到點B (導(dǎo)納)。下一個元件是串聯(lián)元件,所以必需把B轉(zhuǎn)換到阻抗平面上去,得到B'。B'必需和D位于同一個電阻圓上。

從圖形上看,從A'到D只有一條路徑,但是如果要經(jīng)過中間的B點(也就是B'),就需要經(jīng)過多次的嘗試和檢驗。在找到點B和B'后,我們就能夠測量A'到B和B'到D的弧長,前者就是C的歸一化電納值,后者為L的歸一化電抗值。A'到B的弧長為b = 0.78,則B = 0.78 × Y0 = 0.0156S。因為ωC = B,所以C = B/ω = B/(2πf) = 0.0156/[2π(60 × 106)] = 41.4pF。

B'到D的弧長為× = 1.2,于是X = 1.2 × Z0 = 60Ω。 由ωL = X,得L = X/ω = X/(2πf)= 60/[2π(60 × 106)] = 159nH。

圖13. MAX2472典型工作電路

第二個例子是MAX2472的輸出匹配電路,匹配于50Ω負(fù)載阻抗(zL),工作頻率為900MHz (圖14所示)。該網(wǎng)絡(luò)采用與MAX2472數(shù)據(jù)資料相同的配置結(jié)構(gòu),上圖給出了匹配網(wǎng)絡(luò),包括一個并聯(lián)電感和串聯(lián)電容,以下給出了匹配網(wǎng)絡(luò)元件值的查找過程。

圖14. 圖13所示網(wǎng)絡(luò)在史密斯圓a圖上的相應(yīng)工作點

首先將S22散射參數(shù)轉(zhuǎn)換成等效的歸一化源阻抗。MAX2472的Z0為50Ω,S22 = 0.81/-29.4°轉(zhuǎn)換成zS = 1.4 - j3.2, zL = 1和zL* = 1。

下一步,在圓圖上定位兩個點,zS標(biāo)記為A,zL*標(biāo)記為D。因為與信號源連接的是第一個元件是并聯(lián)電感,將源阻抗轉(zhuǎn)換成導(dǎo)納,得到點A’。

確定連接電感LMATCH后下一個點所在的圓弧,由于不知道LMATCH的數(shù)值,因此不能確定圓弧終止的位置。但是,我們了解連接LMATCH并將其轉(zhuǎn)換成阻抗后,源阻抗應(yīng)該位于r = 1的圓周上。

由此,串聯(lián)電容后得到的阻抗應(yīng)該為z = 1 + j0。以原點為中心,在r = 1的圓上旋轉(zhuǎn)180°,反射系數(shù)圓和等電納圓的交點結(jié)合A’點可以得到B (導(dǎo)納)。B點對應(yīng)的阻抗為B’點。

找到B和B'后,可以測量圓弧A'B以及圓弧B'D的長度,第一個測量值可以得到LMATCH。電納的歸一化值,第二個測量值得到CMATCH電抗的歸一化值。

圓弧A'B的測量值為b = -0.575,B = -0.575 × Y0 = 0.0115S。因為1/ωL = B,則LMATCH = 1/Bω = 1/(B2πf) = 1/(0.01156 × 2 × π × 900 × 106) = 15.38nH,近似為15nH。

圓弧B'D的測量值為× = -2.81,X = -2.81 × Z0= -140.5Ω。因為-1/ωC = X,則CMATCH = -1/Xω = -1/(X2πf) = -1/(-140.5 × 2 × π × 900 × 106) = 1.259pF,近似為1pF。

這些計算值沒有考慮寄生電感和寄生電容,所得到的數(shù)值接近與數(shù)據(jù)資料中給出的數(shù)值: LMATCH = 12nH和CMATCH = 1pF。

總結(jié)

在擁有功能強大的軟件和高速、高性能計算機的今天,人們會懷疑在解決電路基本問題的時候是否還需要這樣一種基礎(chǔ)和初級的方法。

實際上,一個真正的工程師不僅應(yīng)該擁有理論知識,更應(yīng)該具有利用各種資源解決問題的能力。在程序中加入幾個數(shù)字然后得出結(jié)果的確是件容易的事情,當(dāng)問題的解十分復(fù)雜、并且不唯一時,讓計算機作這樣的工作尤其方便。

然而,如果能夠理解計算機的工作平臺所使用的基本理論和原理,知道它們的由來,這樣的工程師或設(shè)計者就能夠成為更加全面和值得信賴的專家,得到的結(jié)果也更加可靠。

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