阻抗匹配的概念是射频电路设计中最为基本的概念之一,贯穿射频电路设计始终。阻抗匹配就意味着源传递给负载最大的RF功率,换句话说就是要实现最大的功率传输,必须使负载阻抗与源阻抗相匹配。然而,他们的功能并不仅限于实现理想功率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配。事实上,许多实际的匹配网络并不是仅仅为了减小功率损耗而设计的,他们还具有其他功能,如减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。通常认为,匹配网络的用途就是实现阻抗变换,就是将给定的阻抗值变换成其他更合适的阻抗值。
本章利用ADS进行匹配电路设计的主要内容是利用无源匹配网络进行阻抗变换,达到功率最大传输,重点是确保在源和负载之间形成最小反射。
匹配电路的种类和构成方法多种多样,有采用LC分立元件集总参数元件网络,这种网络容易分析,并可以在1GHz频段的低端及更低的频段使用。还有采用微带线和微带短截线等分布参数元件实现的匹配网络。这类网络特别适合于工作在1GHz以上频段,以及对电路垂直方向尺度有特殊要求的场合,如射频集成电路设计方面。
在设计射频电路匹配网络时,主要考虑以下四个方面的要求:
1. 简单性:选择通过简单的电路实现匹配,可以使用更少的器件,减少损耗并降低成本,可靠性也获得提高。所以设计阻抗匹配电路的首要目的是在能满足设计要求的情况下,选择最简洁的电路。
2. 频带宽度:也就是我们匹配电路中的Q值,一般多种匹配网络都可以消除在某一个频率上的反射,在该频率下实现完全匹配。但是要实现在一定的频带宽度内的匹配,则需要更复杂的匹配网络设计,需要使用更多的元件。因此,要求匹配电路的频带越宽,则相应成本也会越高。
3.电路种类:在实现一个匹配网络的时候,需要考虑匹配网络使用传输线的种类,然后确定使用匹配电路的种类。例如,对于微带传输线系统,实现匹配可以使用集总参数器件、λ/4传输线变化、并联分支等电路,非常容易实现。对于波导和同轴线系统,使用终端短路结构和枝节匹配电路则更容易实现。因此,阻抗匹配电路需要选择在相应传输线系统上易于实现的电路类型。
4. 可调节性:如果负载发生了变化,匹配网络需要相应的调整来达到匹配的要求。在设计匹配网络时,需要考虑负载是否会发生变化,以及通过调整匹配网络适应变化的可行性。
Simth圆图是应用最广泛的匹配电路设计工具之一,它直观的描述了匹配设计的全过程,本章将详细讲解如何使用ADS Simth Tool进行匹配电路的设计.
在复数负载上连接一个电抗元件(电感或电容),这里仅仅强调以下几点:
- 串联将会使Smith圆图上的相应阻抗点沿等电阻圆移动
- 并联将会使Smith圆图上的相应导纳点沿等电导圆移动
在图3-1所示的阻抗-导纳复合Smith圆图中标出了上述情况。至于Smith圆图中参量点的移动方向,一般的经验是,如果连接的是电感,则参量点将向Smith圆图的上半圆移动,如果连接的是电容,则参量点将向Smith圆图的下半圆移动。
掌握了单个元件对负载的影响,就可以设计出能够将任意负载阻抗变化为任意指定的输入阻抗的匹配网络,一般来说,在阻抗-导纳复合Smith圆图上设计任何无源网络都需要将有关参量点沿等电阻圆或等电导圆移动。

目前绝大多数商用EDA软件都带有史密斯图工具,如ADS、Microwave Office, MMICAD的仿真软件包都允许直接放置元件,并将相应的阻抗特征显示在Smith圆图上。


