基于SIMULINK的自动阻抗匹配仿真系统搭建

李群　樊立春　赵立明

摘 要：对于自动阻抗匹配系统设计而言，一般需要在系统中嵌入智能算法以提升匹配速度和精度，但这也增加了系统的设计和调试难度。为了解决这一问题，本文提出了基于SIMULINK的自动阻抗匹配仿真系统，该系统不仅可以对匹配算法的有效性进行验证，并且可以仿真负载动态变化下的自动匹配过程，因此可以更加方便地模拟实际系统的运行工况。对不同运行情况下的仿真系统进行了实验，结果表明，所搭建系统可以实现对基于粒子群算法的自动阻抗匹配系统的模拟。

关键词：自动阻抗匹配 Simulink Γ型拓扑

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0158-02

1 研究背景

在高频电子系统中，阻抗匹配是重要的组成部分，通过调节上下级系统的输入和输出阻抗可以实现信号的无反射传输，在电子工业、无线通信、现代医疗以及石油化工等领域具有重要的应用价值[1]。

由于实际中存在由各类因素导致的动态阻抗失配问题，使得自动阻抗匹配系统的设计优化变得愈发重要。为了提高匹配性能，往往采用智能算法（如：遗传算法[2-3]、粒子群算法[4]以及模糊算法[5]等）进行阻抗的自动调节，但这也增加了系统的设计调试难度。通过搭建仿真系统可以简化实际系统的设计工作，然而如何将算法与阻抗匹配系统结合以及如何模拟实际系统中的可调参数（如：可调电容或可调电感）很大程度上决定了系统的设计精度。本文针对这一问题，提出了基于SIMULINK的自动阻抗匹配仿真系统以实现匹配系统的仿真验证。该仿真系统的提出可以使得设计方案的验证更加便捷并有效缩短自动阻抗匹配系统的设计周期。

2 系统搭建

自动阻抗匹配仿真系统总体结构如图1所示，由主电路以及算法模块构成，其中主电路由电压源、电源内阻、匹配网络以及负载阻抗构成。匹配网络采用Γ型拓扑，并联桥臂由可调电容构成，串联桥臂由可调电容和固定电感构成。

可调电容的模型精度较大程度上影响着整个系统的仿真效果。由于MATLAB的默认元件库中并未提供可以实时调节的可调电容，因此，本文根据电容的微分模型提出了一种可以在每一个仿真步中调节的可调电容模块，其等效微分方程如式（1）所示。

（1）

因此，可以认为电容等效为受电流积分控制的受控电压源，此时常数项1/C可由元件库中的增益模块代替。由于增益模块可以实时调节，因此通过调节微分模型中的增益即可实现可调电容的实时控制，可调电容的微分模型如图2所示。

类似的，为了模拟负载阻抗动态变化的情形，还搭建了可调电阻的等效模型，其等效原理与可调电容的微分方程类似，等效方程如式（2）所示。

（2）

根据式（2）搭建了等效模型，如图3所示。

为了将智能算法嵌入仿真系统，本文以S函数作为算法与仿真模型的接口实现对匹配网络的自动控制。S函数是一种具有特定函数格式的SIMULINK模块，常常作为拓展模块参与仿真，一般用MATLAB、C或者C++语言进行编写。在仿真系统中，算法模块的功能可以分为：检测系统阻抗、求解匹配电容目标值以及调节匹配电容。通过对系统输入端检测出的电压和电流进行处理可以得到当前的输入阻抗，然后将输入阻抗代入匹配算法可以获得匹配电容目标值，最后通过改变可调电容微分模型中的增益值即可实现实时的自动阻抗匹配。

3 仿真实验

本文以粒子群算法为例搭建的自动阻抗匹配系统分别对阻性、感性和容性负载进行了仿真实验。工作频率为20MHz，匹配网络拓扑为Γ型，并联桥臂由调节范围1pF～1000pF可调电容C1构成，串联桥臂由调节范围为1pF～1000pF可调电容C2和感值为300nH固定电感L串联组成。

采用可调电阻进行了负载电阻连续变化的自动匹配实验。可调电阻采用了前文提到的等效模型，其电阻值的变化规律为15Ω-25Ω-35Ω。仿真结果如图4所示。

可以看出，当负载电阻为15Ω时，经过4次迭代后，系统输入阻抗为48.96+j0.48Ω达到了精度要求，之后电阻自动切换为25Ω，系统输入阻抗逐渐迭代至49.96+j0.70Ω。最后，当负载为35Ω时，匹配系统将阻抗调节至49.97+j0.07Ω，以上结果证明了匹配系统的有效性。

对感性负载进行仿真实验，此处将负载取为固定值10+j20Ω，仿真结果如图5所示。

可以看出，对于感性负载而言，匹配前系统输入阻抗为3.82-j26.63Ω（C1初值为470pF，C2初值為505pF），匹配后，系统输入阻抗通过5次迭代后逐渐逼近目标值，最终达到49.47+j0.4Ω。

与感性负载类似，将容性负载取为10-j10Ω，仿真结果如图6所示。

匹配前，匹配网络的输入阻抗为23.16-j5.74Ω（C1初值为470pF，C2初值为505pF），匹配后逐步迭代到了49.65-j0.66Ω，以上结果证明了仿真系统的有效性。

4 结语

为了提高自动阻抗匹配系统的速度和精度，往往在系统中嵌入智能算法提升系统性能，但这也增加了系统的设计难度。本文利用SIMULINK搭建了自动阻抗匹配仿真系统以实现对设计方案的快速验证，加快设计流程。仿真结果表明，该系统可以模拟基于粒子群算法的阻抗匹配系统对阻性、感性和容性负载的自动匹配，这证明了仿真系统的正确性。所搭建的自动阻抗匹配仿真系统可以完成不同匹配算法的验证，大大简化实际系统的设计工作。

参考文献

[1] 周帅，刘成国，唐晓.基于射频功率放大器的阻抗匹配技术[J].河南科技大学学报：自然科学版，2018，39（5）：94-99，104，8.

[2] Bito J， Jeong S， Tentzeris M M. A Novel Heuristic Passive and Active Matching Circuit Design Method for Wireless Power Transfer to Moving Objects[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2017， 65（4）： 1094-1102.

[3] 周子成，卢晓鹏，姚雨帆.基于遗传算法的微带天线阻抗匹配设计[J].电子信息对抗技术，2016，31（3）：68-71.

[4] Zhao Q， Wang A. Optimization of multiresonant wireless power transfer network based on generalized coupled matrix[J]. Mathematical Problems in Engineering， 2017.

[5] 汪洪波，陈长琦，汪金新.真空射频阻抗自动匹配方法分析[J].真空，2010，47（6）：49-53.