微波技术基础中阻抗匹配的电磁仿真教学研究

2019-09-09朱浩然孙玉发吴先良

安庆师范大学学报(自然科学版) 2019年3期

朱浩然，孙玉发，吴先良

（安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥230039）

阻抗匹配内容是“微波技术”课程教学中的重要部分[1]。关于阻抗匹配的教学，重点在于理解阻抗匹配的基本概念、掌握一些基本的阻抗匹配方法及其运用。阻抗匹配也是微波电路和系统设计时必须考虑的重要问题之一[2]。这方面的内容实际应用背景较强，而学生们在掌握了阻抗匹配的理论知识后，不能很好地与实际应用相结合。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，商业化的射频EDA软件于20世纪90年代大量涌现，所以有越来越多的人采用电磁仿真软件来设计微波器件。学生们可以通过电磁仿真实验将理论和实践相结合，培养动手能力和创新能力[3-4]。

本文的目的是希望能够将电磁仿真和阻抗匹配的理论教学相融合，让学生在加深基本理论理解的同时，也掌握一些电磁仿真软件的基本操作，熟悉操作流程，为之后进一步的学习打下基础。

1 电磁仿真软件简介

现如今的产品设计，不论是结构制图，还是电路板的设计，以及电子电路仿真都离不开电磁仿真软件。作为一名射频工程师，必须掌握两种以上的电磁仿真软件，所以在课程中加入电磁仿真实验是很有意义的。目前，市场上商业化的电磁仿真软件层出不穷，每一款主流软件也都各有所长。其中，Ansys Designer是微波技术领域的典型仿真软件之一，它具有齐全的微波电路/射频电路器件库以及丰富的函数库，自带C/C++、Verilog和Matlab等算法的开发语言接口。HFSS软件的用户设计界面简洁整齐，便于上手，精准地自适应场解器，可利用Optimetrics选件对参数进行优化，从而计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。另外，ADS软件功能也很强大，在射频集成电路方向应用广泛。CST对三维复杂结构仿真精度高，计算速度快，可以完成系统级的电磁兼容仿真，同时也支持和ADS的协同仿真。本文主要采用ADS软件进行电磁场和路的辅助仿真与计算。

2 阻抗匹配理论分析

2.1 并联单支节

图1所示为并联单支节调配电路，其中Zl为负载特征阻抗，Y0为归一化导纳，d为传输线距离负载的距离，L为并联枝节线的长度。

图1 单支节调配电路

其中，

解得：

将t代入（4）式中，使得支节的输入电纳为-B，则推导得到支节的长度：

当其为短路支节时：

当其为开路支节时：

图2 双支节调配电路

2.2 并联双支节

一般单支节调配器用于匹配任意负载阻抗，但它要求支节的位置可调，为了可通过双支节调配器来解决。通常，根据传输线阻抗变化特性，并联双支节的两支节之间的距离可选取图2所示为并联双支节调配电路。其中，第1支节左侧的导纳为

式中，Y1是第1个支节的输入导纳。其经过长度d后，变换至第2个支节的导纳Y2为

对GL求解得到：

由于GL为实数，所以（12）式中的平方根为非负数，推导得到：

给定间距d，可以匹配GL值的范围。当d固定后，第1支节的输入导纳可由（11）式求得，支节的长可通过B求得，因此，

3 阻抗匹配的仿真实例

根据上述关于传输线阻抗匹配的基本理论，可计算得到单枝节和双枝节阻抗匹配的值。为验证理论计算的准确性，并让学生对阻抗匹配有直观认识，本章节采用ADS电磁仿真软件进行计算，分别从传输特性和Sm ith圆图来加深理解。

3.1 单枝节短截线匹配电路

图3 微带单枝短截线匹配电路原理图

图4 匹配网络的子电路

对优化设置的电路进行仿真，并得到微带单枝短截线的S参数图，如图5所示。从图5的仿真结果可以看出，S参数值都比较理想，此仿真过程实现了单枝节短截线的电路阻抗匹配。

图5 微带单枝节短截线匹配电路的S参数图

3.2 双枝节短截线匹配电路

设计目标使得ZL=（50+j*50）Ohm的负载阻抗与Zin=50Ohm的输入阻抗在频率1GHz时达到良好的匹配，其中传输线的特性阻抗为50Ohm。本小节主要是基于双枝节短截线电路进行阻抗匹配仿真，匹配电路多采用双枝节短截线匹配电路，设计合适的短截线长度。根据前述理论计算，传输线的长度分别为L1=λ/8，L2=L3=3λ/8，通过ADS建立电路仿真原理图，并完成参数设置，如图6所示。基于smith圆图的结果，对匹配网络电路进行优化仿真，如图7所示。将设计好的电路进行仿真计算，得到的传输特性和Smith圆图的结果，如图8所示。由图可知，双枝节短截线方法设计的匹配电路，在1GHz时，S(1,1)和S(2,2)在S mith圆图的匹配点上；S(2,1)和S(1,1)基本趋近于零，传输线损耗小于0.3 dB。阻抗匹配效果良好，基本达到了预期设计目标。