劉繼勇 朱滿意

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)

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3GHz微波開(kāi)關(guān)中匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)*

劉繼勇 朱滿意

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)

在微波通信系統(tǒng)中，信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行發(fā)射和接收，需要對(duì)特定頻率范圍的信號(hào)進(jìn)行處理，為了防止信號(hào)的泄漏和回流，最小限度地抑制能量衰減，保障信號(hào)最大功率的傳輸和不失真，采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合ADS仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出中心頻率3GHz的阻抗匹配電路，提高了開(kāi)關(guān)的性能，開(kāi)關(guān)端口1的電壓駐波比為1.023，端口2的電壓駐波比為1.104，從而改善了端口的信噪比，提高了信號(hào)的傳輸效率。

ADS; 3GHz; 阻抗匹配; 電壓駐波比

Class Number TN015

1 引言

阻抗匹配是射頻/微波電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)中主要有三種括撲結(jié)構(gòu)，大致分為L(zhǎng)型網(wǎng)絡(luò)、T型網(wǎng)絡(luò)和Ω型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]。這些結(jié)構(gòu)體積小、操作方便、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。選擇合適的匹配網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到信號(hào)功率輸入的最大化和改善信噪比，有效地降低電壓駐波比(VSWR)，提高了電路系統(tǒng)的傳輸效率。目前一些微波開(kāi)關(guān)由于阻抗不匹配導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生反射，對(duì)開(kāi)關(guān)及系統(tǒng)造成危害。在開(kāi)關(guān)端口匹配合適的濾波器就可以解決阻抗不匹配的問(wèn)題。最后在微波開(kāi)關(guān)電路的輸入和輸出端口都加入了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并在中心頻率3GHz仿真得到驗(yàn)證。

2 阻抗匹配分析

在處理射頻/微波通信的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，各部分級(jí)聯(lián)電路經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)阻抗不匹配的問(wèn)題，其中開(kāi)關(guān)與發(fā)射/接收電路端之間的匹配、天線與開(kāi)關(guān)之間的匹配是系統(tǒng)最重要的因素之一。為了提高信號(hào)的傳輸效率、降低信號(hào)的衰減，保證信號(hào)或能量有效接收和發(fā)射，開(kāi)關(guān)輸入和輸出電路都要達(dá)到最佳狀態(tài)。在高頻電路中，傳輸線上的電感，板層之間的電容和導(dǎo)體的電阻對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)都有不可預(yù)知和明顯的影響?？梢酝ㄟ^(guò)Smith圓圖來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，可以找出匹配網(wǎng)絡(luò)元件的數(shù)值、最大功率傳輸，確定品質(zhì)因數(shù)及穩(wěn)定性分析。如圖1所示，開(kāi)關(guān)的輸入和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 開(kāi)關(guān)的輸入和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在微波匹配開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中，需要低的電壓駐波比(VSWR)，就要確定輸入阻抗和輸出阻抗，為了達(dá)到網(wǎng)絡(luò)端口阻抗最佳匹配，在開(kāi)關(guān)電路的輸入端需要滿足最佳源反射系數(shù)，整個(gè)微波匹配開(kāi)關(guān)前級(jí)有輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路，后級(jí)有輸出匹配網(wǎng)絡(luò)[3～4]。Γa為輸入阻抗，Γb為輸出阻抗，Za包含50Ω的負(fù)載，Zb包含50Ω的前端信號(hào)源。電路當(dāng)中反射系數(shù)和電壓駐波比公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

對(duì)于開(kāi)關(guān)電路來(lái)說(shuō)，反射系數(shù)ΓS包括信號(hào)源和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，阻抗為ZS,反射系數(shù)ΓIN對(duì)于整個(gè)后級(jí)電路，阻抗為ZIN，反射系數(shù)ΓOUT對(duì)于前級(jí)整個(gè)電路，阻抗為ZOUT，反射系數(shù)ΓL對(duì)于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和50Ω負(fù)載，阻抗為ZL,反射系數(shù)Γb對(duì)于前級(jí)整個(gè)電路，阻抗為Zb。當(dāng)滿足ZIN=ZS*或者ΓIN=ΓS*時(shí)，匹配開(kāi)關(guān)的電路才能達(dá)到阻抗匹配，此時(shí)信號(hào)輸入功率達(dá)到最大值。

3 Smith原圖匹配電路

圖2 Smith原圖四個(gè)區(qū)域

對(duì)微波/射頻電路，確定高頻電路阻抗響應(yīng)是關(guān)鍵問(wèn)題，具體在設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以選擇不同的結(jié)構(gòu)。在匹配網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)或并聯(lián)元件，并確定阻抗匹配目標(biāo)的值。首先分析六種不同的添加元件方法[7～9]，在a，b,c路線是往Ⅱ和Ⅳ區(qū)方向，其分別并聯(lián)一個(gè)電感，電阻和電容。路線d,e,f往Ⅰ和Ⅳ區(qū)方向，其分別串聯(lián)一個(gè)電感，電阻和電容。在電抗圓的上半圓都為正(即感性)，下半圓為負(fù)(即容性)，如圖3所示。

圖3 Smith原圖阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)路線

4 微波開(kāi)關(guān)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

在圖4所示的電路中，在控制端子施加電源電壓，也可以使PIN二極管不損壞的境況下決定R1的值[10]。3GHz頻帶時(shí)為高阻抗決定L3,L4,L5的值，3GHz頻帶時(shí)為低阻抗決定C2，C3，C5，C8，C9的值。此時(shí)端口1和端口2都沒(méi)有進(jìn)行阻抗匹配。

圖5是未匹配開(kāi)關(guān)電路的仿真分析結(jié)果，圖中標(biāo)記處表示3GHz時(shí)的特性值。

從仿真結(jié)果可以得到反射系數(shù)S(11)為-36.626dB，S(22)為-21.620dB，端口1的電壓駐波比(VSWR1)為1.030，端口2電壓駐波比(VSWR2)為1.181，圖6和圖7分別在微波開(kāi)關(guān)電路中添加輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖4 微波開(kāi)關(guān)電路仿真圖

(a)端口1的反射系數(shù)

(b)端口2的反射系數(shù)

(c)端口1和端口2的電壓注液池

(d)S(11)和S(22)在Smith原圖匹配位置

圖6 輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

圖7 輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

輸入阻抗匹配L型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由電阻為7.25Ω和電容為63.9925fF組成，輸出匹配是由電阻和電容并聯(lián)組成，數(shù)值大小分別為375.88Ω和11.9698fF，圖8是匹配后的微波開(kāi)關(guān)仿真示意圖。

(a)端口1的反射系數(shù)

(b)端口2的反射系數(shù)

(c)端口1和端口2的電壓駐設(shè)池

(d)S(11)和S(12)在Smith原圖匹配位置圖8 匹配后微波開(kāi)關(guān)仿真圖

5 結(jié)語(yǔ)

采用Smith原圖對(duì)微波開(kāi)關(guān)進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，通過(guò)最后匹配結(jié)果可以知道，反射系數(shù)S(11)為-38.976dB，反射系數(shù)S(22)為-26.086dB，比匹配前的反射系數(shù)分別提高了2.35dB和4.466dB。端口1的電壓駐波比(VSWR1)為1.023，端口2的電壓駐波比(VSWR2)為1.104，匹配后比匹配前端口1和端口2的電壓駐波比降低了一些，在中心頻率3GHz的性能得到了提高，在高頻電路里，電壓駐波比(VSWR)微小的改變就會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生很大的影響，從匹配后的仿真曲線結(jié)果可以看出，大于中心頻率的曲線變化，性能要優(yōu)于未匹配時(shí)的開(kāi)關(guān)，也可以從圖8(d)中直觀看出仿真值距離匹配點(diǎn)最接近。微波開(kāi)關(guān)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和選擇對(duì)設(shè)計(jì)高性能微波毫米波頻段開(kāi)關(guān)具有較好的參考價(jià)值。

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Design of Matching Network in the 3GHz Microwave Switch

LIU Jiyong ZHU Manyi

(School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

In microwave communication systems, signal is transmited and received by the switch, this needs to deal with a specific frequency range of signal. In order to prevent signal’s leakage and return,restrain energy attenuation for the minimum limit, ensure signal maximum power transfer and no distortion,this paper adopts the impedance atching network technology and combines with ADS simulation software for experimental verification and designs the center frequency of 3 GHz impedance matching circuit and improves the performance of the switch. The switch port 1 voltage standing wave ratio is 1.023，port 2 voltage standing wave ratio is 1.104. It improves the signal-to-noise ratio of the port and boost the efficiency of the transmission of signals.

ADS, 3GHz, impedance, VSWR

2016年5月10日,

2016年6月24日

劉繼勇，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：射頻與微波電路。朱滿意，男，碩士研究生，研究方向：射頻與微波電路。

TN015

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.038