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有趣的阻抗变换 [复制链接]

 

阻抗变换在很多人看来很神秘,甚至不可理喻:
“什么是匹配网络?”
“为什么要在负载电路之前加这么多电感电容?”
“如果负载是100欧姆要与源阻抗50欧匹配,直接在负载并联一个100欧负载不就行了吗”……这样的问题常被提出。
下面是一个初中物理题,“已知电压源电阻是Zs,问Zl多大时,Zl上的功率最大。推导过程这里省略,结果是当Zl=Zs时,Zl上能获得最大功率。

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图1

 
让负载获得最大功率就是电路需要阻抗匹配的原因。在射频链路中,上面例题的电压源的信号由直流变为交流,基本思想是完全一致的。射频电路中的阻抗变换要达到的效果是——“在电路中的任意点,分别往源端和负载端看去,他们的阻抗是互为共轭的。”而射频电路中,完成阻抗匹配的工具是电感、电容和微带线。为什么没有电阻?因为匹配网络是不能耗能的,电阻耗能器件。
我们再看一道例题,每一位学过高频电路的同学都做过,其中的奥秘妙不可言。
例2:在中心频率为500MHz时,把功率管的输入阻抗从1.0+j2.0匹配到50欧,品质因素Q=2。
解:例题的解题思路:
(1)将串联形式的负载转化为并联形式,串联电路到并联电路的等效转换;
(2)增加新的电抗元件,谐振掉原电路的电抗因素,使电路呈现的阻抗无虚部状态;
……
(n)直到电路阻抗变换到50欧姆
解题步骤:
串并转换
功率管的输入阻抗为1.0+j2.0,则串联等效电阻RS=1,Xs=j2.0;
并联等效电阻RP1=RS(1+Q2)=5;
并联等效电抗XP1=Xs(1+ Q2)/ Q2=j2.5;
谐振电抗
设计匹配电路时,首先在电路中并联一个XC1=-j2.5以综合原电路中的电抗部分,此时电路实际上等效为一个5欧姆负载;
升高或降低实阻抗以匹配到50欧姆
此时虽然得到实阻抗5欧,但没有达到50欧姆的目的,需要继续阻抗匹配,设下一步阻抗匹配的Q值为2(射频电路的带宽取决于系统的品质因素,品质因素越大,带宽越窄,所以一般做匹配时,选择品质因素一般越小越好。),故串联一个新的电抗10j。

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图2、例2阻抗变换分步示意图

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图3、例2匹配网络示意图

实际上,串并电路的等效转换反映到Smith圆图上就是同一个阻抗点阻抗圆图和导纳圆图的不同表达形式,下面我们用SMITH圆图工具来完成例2:

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阻抗变换是射频链路中最基本的要素,在原理图设计中我们经常借助各种EDA工具来设计阻抗匹配网络,如ADS,smith-chart等,电路板贴片回来后,由于PCB工艺、电感和电容的频率特性等因素,阻抗匹配网络还需要射频工程师对着网络分析仪调试,随着频率的升高,阻抗匹配主要由微带线和腔体完成,西方的工程师称射频模块是“Magic BOX”,这是射频行业的魅力所在,一件优秀的射频产品的内涵是由设计师的2分经验、3分设计和5分的调试共同构成。

此帖出自RF/无线论坛
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发明史密斯圆这个人真是神人,越研究深越觉得是天才。

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特别是看见他们做的动图  特别膜拜  详情 回复 发表于 6 天前

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吾妻思萌 发表于 2022-8-6 20:20 发明史密斯圆这个人真是神人,越研究深越觉得是天才。

特别是看见他们做的动图  特别膜拜

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功率管的输入阻抗为1.0+j2.0,则串联等效电阻RS=1,Xs=j2.0;
并联等效电阻RP1=RS(1+Q2)=5;
并联等效电抗XP1=Xs(1+ Q2)/ Q2=j2.5;

    这个RP1=5 和 XP1=j2.5 是怎样计算的

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[attachimg]629665[/attachimg]    详情 回复 发表于 5 天前

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eew_g3C6CE 发表于 2022-8-7 01:33 功率管的输入阻抗为1.0+j2.0,则串联等效电阻RS=1,Xs=j2.0; 并联等效电阻RP1=RS(1+Q2)=5; 并联等效电抗X ...

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借助ADS工具史密斯圆图变的  详情 回复 发表于 5 天前
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有阻抗匹配的仿真工具吗,实际计算太慢了  详情 回复 发表于 5 天前
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btty038 发表于 2022-8-7 08:38 借助ADS工具史密斯圆图变的

有阻抗匹配的仿真工具吗,实际计算太慢了

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看网上有几种阻抗匹配的仿真软件和计算工具。可以看看 RF阻抗匹配计算器 | 设计资源 | 亚德诺半导体 (analog.com) Le Leivre.com ADS(Advanced Design system)  详情 回复 发表于 昨天 15:59
我一般都借助工具计算   数学差  详情 回复 发表于 5 天前

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功率管的输入阻抗为1.0+j2.0,则串联等效电阻RS=1,Xs=j2.0;
并联等效电阻RP1=RS(1+Q2)=5;
并联等效电抗XP1=Xs(1+ Q2)/ Q2=j2.5;

    RP1=RS(1+Q2)= 1.0(1+2)=3 ≠ 5

    XP1=Xs(1+ Q2)/ Q2=2.5(1+2)/2=j3.75 ≠ j2.5

直接计算的结果不相等


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se7ens 发表于 2022-8-7 10:49 有阻抗匹配的仿真工具吗,实际计算太慢了

我一般都借助工具计算   数学差

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看看

 

让负载获得最大功率就是电路需要阻抗匹配的原因。在射频链路中,上面例题的电压源的信号由直流变为交流,基本思想是完全一致的。射频电路中的阻抗变换要达到的效果是——“在电路中的任意点,分别往源端和负载端看去,他们的阻抗是互为共轭的。”而射频电路中,完成阻抗匹配的工具是电感、电容和微带线。为什么没有电阻?因为匹配网络是不能耗能的,电阻耗能器件

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匹配等效观看  详情 回复 发表于 前天 16:23

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qbwww 发表于 2022-8-9 18:50 看看   让负载获得最大功率就是电路需要阻抗匹配的原因。在射频链路中,上面例题的电压源的信号 ...

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se7ens 发表于 2022-8-7 10:49 有阻抗匹配的仿真工具吗,实际计算太慢了

看网上有几种阻抗匹配的仿真软件和计算工具。可以看看

RF阻抗匹配计算器 | 设计资源 | 亚德诺半导体 (analog.com)

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玩板看这里:

http://bbs.eeworld.com.cn/elecplay.html

EEWorld测评频道众多好板等你来玩,还可以来频道许愿树许愿说说你想要玩的板子,我们都在努力为大家实现!


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