一种L型阻抗匹配网络设计方法与流程

本发明属于射频电路设计领域，具体涉及一种L型阻抗匹配网络设计方法。

背景技术：

阻抗匹配是射频电路中一个非常重要的概念，只有当信号源所驱动电路的输入阻抗和信号源阻抗共轭时，该电路从信号源吸收的功率才能达到最大值，这时称信号源所驱动电路达到了输入阻抗匹配条件。为了满足阻抗匹配条件从而使传输功率达到最大，常常需要将某一阻抗(源阻抗)变换到另一特定的阻抗(负载阻抗)，实现这一功能的电路就是阻抗匹配网络。目前有多种网络可以实现阻抗匹配功能，其中L型阻抗匹配网络是射频电路设计中最常用到的阻抗匹配网络，因其所用元器件最少，拓扑结构最简单，由两个无源元件(电容和电感)组成。

为了避免繁琐的手工计算，工程上一般使用Smith圆图来设计阻抗匹配网络，但是设计人员须具备丰富的实践经验才能够操作。所以研究L型阻抗匹配网络设计方法具有重大的理论价值和现实意义。

传统的阻抗匹配网络设计需要进行大量复杂的手工计算或者软件模拟仿真，而且得到的参数均为理想值，实际的电子元器件因为存在寄生参数，往往导致计算的理想值和实际值偏差非常大，后期仍然需要借助Smith圆图来精确设计。所以在实际操作中大部分设计人员会凭借经验直接用Smith圆图来设计阻抗匹配网络，通过实验的方法得到电子元器件的参数。所以无论设计人员是否计算仿真，最终都是用Smith圆图来设计阻抗匹配网络。具体设计时因人而异，根据设计人员的水平和习惯，设计方法千差万别，没有固定方法。水平高经验丰富的设计人员可能设计的快速一些，初级的设计人员往往设计的慢一些，甚至设计失败。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种L型阻抗匹配网络设计方法，以解决现有L型阻抗网络设计方法步骤复杂、耗费时间、成功率低的问题。

本发明采用以下技术方案，一种L型阻抗匹配网络设计方法，包括以下步骤：

步骤一、建立二维阻抗平面坐标系，并在二维阻抗平面内选取起始点(n，n)，其中,n>0；

步骤二、根据起始点(n，n)设计L型阻抗匹配网络，并测量L型阻抗匹配网络的特征阻抗值Z_(n，n)；判断(n，n)是否为匹配点；若是，根据匹配点设计L型阻抗匹配网络；否则，继续执行步骤三；

步骤三、增加步骤二中起始点对应的电容值和电感值，直至得出电容值和电感值所对应的点(m，m)，点(m，m)满足以下条件：测量出点(m，m)对应的特征阻抗值Z_(m，m)，Z_(m，m)与史密斯圆图中心点的距离小于Z_(n，n)与史密斯圆图中心点的距离；其中，m>n>0；

步骤四、增加步骤三中点(m，m)对应的电容值和电感值，直至得出电容值和电感值所对应的两个相邻点(m₁，m₁)、(m₂，m₂)，点(m₁，m₁)、(m₂，m₂)满足以下条件：与史密斯原图中心点之间的距离小于步骤三中Z_(m，m)与史密斯圆图中心点的距离，且与史密斯原图中心点之间的距离大于步骤三中Z_(m,m)与史密斯圆图中心点的距离；则判断匹配点位于以(m₁，m₁)为坐标原点的阻抗平面内第三象限且m₂>m₁>m>0，继续执行步骤五；

步骤五、缩小步骤四中匹配点所处的范围，得出最终匹配区域，则最终匹配区域内的任一点均为匹配点，并根据匹配点对应的电容值和电感值设计L型阻抗匹配网络。

进一步地，步骤一的具体方法为：

建立二维阻抗平面坐标系，横轴为电感轴，纵轴为电容轴，在二维阻抗平面内选择起始点(n，n)其中，起始点(n，n)表示在L型阻抗匹配网络中的电感值和电容值均为n，通过起始点(n，n)分别做出平行于电感轴和电容轴的直线，并通过两条直线将二维阻抗平面分为四个象限。

进一步地，步骤五中得出最终匹配区域的具体方法为：

步骤5.1、选取匹配区域的中心点(m₁/2，m₁/2)，并通过中心点(m₁/2，m₁/2)在二维阻抗平面做出分别与电容轴、电感轴平行的直线，将匹配区域分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四部分，判断匹配点所在象限，得出匹配区域；

步骤5.2、重复执行步骤5.1，并得出最终匹配区域；

步骤5.3、以匹配区域内任一点所对应的电容值和电感值设计L型阻抗匹配网络。

进一步地，步骤5.1中判断匹配点所在象限的具体方法如下：

步骤5.1.1、保持中心点(m₁/2，m₁/2)的电容值不变，增大电感值，当特征阻抗值接近史密斯原图中心点时，则匹配点位于第一象限或第四象限内，否则，匹配点位于第二象限或第三象限内；

步骤5.1.2、保持中心点(m₁/2，m₁/2)的电感值不变，增大电容值，当特征阻抗值接近史密斯原图中心点时，则匹配点位于第一象限或第二象限内，否则，匹配点位于第三象限或第四象限内；

步骤5.1.3、根据步骤5.1.1和步骤5.1.2确定匹配点所在的匹配区域。

进一步地，在匹配区域内，中心点的右上方为第一象限，中心点的左上方为第二象限，中心点的左下方为第三象限，中心点的右下方为第四象限。

本发明的有益效果是：通过本发明的方法，将阻抗匹配网络设计方法标准化固定化，可以快速成功的设计出阻抗匹配网络，极大地简化了阻抗匹配网络的设计方法，避免了手工计算和反复的实验，节省了设计时间，降低了设计人员所需的理论水平和操作经验。

【附图说明】

图1为本发明中使用的史密斯圆图；

图2为本发明的阻抗平面及(n，n)点第一象限、(n，n)点第二象限、(n，n)点第三象限和(n，n)点第四象限示意图；

图3为本发明的阻抗平面及(m₁，m₁)点第三象限示意图；

图4为本发明的阻抗平面及(m₁，m₁)点第一象限、(m₁，m₁)点第二象限、(m₁，m₁)点第三象限和(m₁，m₁)点第四象限示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种L型阻抗匹配网络设计方法，包括以下步骤：

步骤一、建立二维阻抗平面，并在该平面内建立二维阻抗平面坐标系，横轴为电感轴，表示L型阻抗匹配网络中的电感值，纵轴为电容轴，表示L型阻抗匹配网络中的电容值，平面中任意一点表示了L型阻抗匹配网络中的电感值和电容值，假设L型阻抗匹配网络设计成功，那么在此二位阻抗平面中必存在一点与之对应，并且是唯一的，因此，L型阻抗匹配网络设计工作就转化为找出在此二维阻抗平面中的那一个点，命名为匹配点；

在二维阻抗平面内选取一个起始点(n，n)，其中,n>0，选起始点时，也可以选择横纵坐标不同的值作为起始点，优选的选取横纵坐标都相同的点，以便于设计L型阻抗网络设计工作更加快捷；

起始点(n，n)表示在L型阻抗匹配网络中的电感值为n，单位为nH，电容值为n，单位为pF，起始点的选择可根据个人的经验选择，在本实施例中选取点(5，5)，即起始的电感值为5nH，电容值为5pH；

通过起始点(n，n)分别做出平行于电感轴和电容轴的直线，并通过两条直线将二维阻抗平面分为四个象限，如图2所示，优选的我们设定(n，n)点的右上方为第一象限，(n，n)点的左上方为第二象限，(n，n)点的左下方为第三象限，(n，n)点的右下方为第四象限，但是由于n>0，所以(n，n)点的第三象限仅限于原阻抗平面坐标系的坐标原点的右上方部分；

在本实施例中，通过起始点(5，5)分别做出平行于电感轴和电容轴的直线，并通过两条直线将二维阻抗平面分为四个象限，设定点(5，5)的右上方为第一象限，点(5，5)的左上方为第二象限，点(5，5)的左下方为第三象限，点(5，5)的右下方为第四象限，(5，5)点的第三象限仅限于原阻抗平面坐标系的坐标原点的右上方部分；

步骤二、根据起始点(n，n)设计L型阻抗匹配网络，即使用电感为n nH电容为n pF设计L型阻抗匹配网络，并通过矢量网络分析仪测试，如图1所示，在矢量网络分析仪中观察史密斯圆图，即Smith圆图，测量出此时L型阻抗匹配网络的特征阻抗值Z_(n，n)，判断点(n，n)是否为匹配点；

当此时Z_(n，n)处于史密斯圆图中心点时，则起始点(n，n)为匹配点，并根据匹配点设计L型阻抗匹配网络，否则，继续执行步骤三；

在本实施例中，设计电感值为5nH、电容值为5pH的L型阻抗匹配网络，通过矢量网络分析仪测试，在矢量网络分析仪中观察Smith圆图，测量出此时L型阻抗匹配网络的特征阻抗值Z_(5，5)并未在处于Smith圆图中心点，因此，继续执行步骤三；

步骤三、增加步骤二中L型阻抗匹配网络中起始点(n，n)所对应的电容值和电感值直至(m，m)，即电感值和电容值分别为m nH和m pF，其中，m>n>0,同时观察Smith圆图中特征阻抗Z_(m，m)的变化趋势，点(m，m)满足以下条件：测量出点(m，m)对应的特征阻抗值Z_(m，m)，Z_(m，m)与史密斯圆图中心点的距离小于Z_(n，n)与史密斯圆图中心点的距离；

即Z_(m，m)比Z_(n，n)更加靠近Smith圆图的中心点，则执行步骤四；否则重新选取点(m，m)的值，直至Z_(m，m)与史密斯圆图中心点的距离小于Z_(n，n)与史密斯圆图中心点的距离后，执行步骤四；

在本实施例中，将起始点(5，5)增加至(10，10)，同时观察Smith圆图中特征阻抗Z_(10，10)的变化趋势，得到Z_(10，10)比Z_(5，5)更加靠近Smith圆图的中心点；

步骤四、继续增加步骤三中点(m，m)所对应的电容值和电感值，直至得出电容值和电感值对应的两个相邻点(m₁，m₁)、(m₂，m₂)，且点(m₁，m₁)、(m₂，m₂)满足以下条件：与史密斯原图中心点之间的距离小于步骤三中Z_(m，m)与史密斯原图中心点之间的距离，且与史密斯原图中心点之间的距离大于步骤三中Z_(m,m)与史密斯圆图中心点的距离；其中，m₂>m₁>m>0；

此时，如图3所示，可唯一得出匹配点位于以(m₁，m₁)为坐标原点的阻抗平面内第三象限和以原坐标原点(0，0)的横纵坐标轴之间的匹配区域，继续执行步骤五；

本实施例中，继续增加L型阻抗匹配网络电容值和电感值直至(11，11)，即电感值和电容值分别为11nH和11pF,同时观察Smith圆图中特征阻抗Z_(11，11)的变化趋势，Z_(11，11)比Z_(10，10)远离Smith圆图的中心点，由于，点(11，11)之前所选的点为(10，10)，则可唯一得出匹配点位于以(10，10)为坐标原点的阻抗平面内第三象限和以原坐标原点(0，0)的横纵坐标轴之间的匹配区域，继续执行步骤五；

步骤五、缩小步骤四中匹配区域的范围，直至最终匹配区域内的点所对应的特征阻抗值接近史密斯原图中心点，则最终匹配区域内的任一点即为匹配点，并根据匹配点对应的电容值和电感值设计L型阻抗匹配网络。其具体通过以下方法实施：

步骤5.1、选取匹配区域的中心点(m₁/2，m₁/2)，同时将L型阻抗匹配网络中的电感值和电容值修改为m₁/2nH和m₁/2pF，并通过中心点(m₁/2，m₁/2)在二维阻抗平面做出分别与电容轴、电感轴平行的直线，如图4所示，将匹配区域分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四部分，在匹配区域内，中心点的右上方为第一象限，中心点的左上方为第二象限，中心点的左下方为第三象限，中心点的右下方为第四象限；

在本实施例中，选取匹配区域的中心点(10/2，10/2)，即(5，5)，同时将L型阻抗匹配网络中的电感值和电容值修改为5nH和5pF，并通过中心点(5，5)在二维阻抗平面做出分别与电容轴、电感轴平行的直线，将匹配区域分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四部分；

步骤5.1.1、保持中心点(m₁/2，m₁/2)的电容值不变，增大电感值，同时观察Smith圆图中特征阻抗的变化趋势，当特征阻抗值接近史密斯原图的中心点时，则匹配点位于点(m₁/2，m₁/2)的第一象限或第四象限内，否则，匹配点位于点(m₁/2，m₁/2)的第二象限或第三象限内；

本实施例中保持中心点(5，5)的电容值不变，增大电感值至6.2nH，同时观察Smith圆图中特征阻抗的变化趋势，Z_(6.2，5)比Z_(5，5)更加接近Smith圆图中心点，则匹配点位于点(5，5)的第一象限或第四象限内；

步骤5.1.2、再次将L型阻抗匹配网络中的电感值和电容值修改为m₁/2nH和m₁/2pF，保持电感值不变，增大电容值，同时观察Smith圆图中特征阻抗的变化趋势，当特征阻抗值接近史密斯原图中心点时，则匹配点位于点(m₁/2，m₁/2)的第一象限或第二象限内，否则，匹配点位于点(m₁/2，m₁/2)的第三象限或第四象限内；

在本实施例中，再次将L型阻抗匹配网络中的电感值和电容值修改为5nH和5pF，保持电感值不变，增大电容值至6.8pF，同时观察Smith圆图中特征阻抗的变化趋势，Z_(5，6.8)比Z_(5，5)更加接近史密斯原图中心点，则匹配点位于点(5，5)的第一象限或第二象限内；

步骤5.1.3、根据步骤5.1.1和步骤5.1.2的结果，可以唯一确定匹配点处于点(m₁/2，m₁/2)的哪一个象限，则该象限命名为(m₁/2，m₁/2)点的匹配象限，且该象限为匹配点所在的匹配区域；

本实施例中，根据步骤5.1.1和步骤5.1.2的结果可唯一确定，匹配点位于点(5，5)的第一象限，则该象限命名为点(5，5)的匹配象限，且该象限为匹配点所在的匹配区域；

步骤5.2、重复执行步骤5.1，由于不断的重复执行步骤5.1，所以，我们能不断细化精确定位匹配点所处的匹配区域，直至特征阻抗点足够靠近Smith圆图的中心点或者实际使用的电子元器件参数无法在持续下去为止，即可得出最终匹配区域，此时该区域内任意一点均可视作匹配点，可根据实际情况选区L型匹配网络中的电感值和电容值；

本实施例中，选区匹配区域内的中心点(7.5，7.5)，同时将L型阻抗匹配网络中的电感值和电容值修改为7.5nH和7.5pF，并通过中心点(7.5，7.5)在二维阻抗平面做出分别与电容轴、电感轴平行的直线，将匹配区域分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四部分，在匹配区域内，中心点的右上方为第一象限，中心点的左上方为第二象限，中心点的左下方为第三象限，中心点的右下方为第四象限；

保持中心点(7.5，7.5)的电容值不变，增大电感值至9.1nH，同时观察Smith圆图中特征阻抗的变化趋势，Z_(9.1，7.5)比Z_(7.5，7.5)更加接近史密斯原图的中心点，则匹配点位于点(7.5，7.5)的第一象限或第四象限内；

再次将L型阻抗匹配网络中的电感值和电容值修改为7.5nH和7.5pF，保持电感值不变，增大电容值至8pF，同时观察Smith圆图中特征阻抗的变化趋势，Z_(7.5，8)比Z_(7.5，7.5)特征阻抗值更加远离史密斯原图中心点，则匹配点位于点(5，5)的第三象限或第四象限内；

根据之前两个步骤的结果，可以唯一确定匹配点位于点(7.5，7.5)的第四象限，并且Z_(9.1,6.8)比点Z_(7.5，7.5)的特征阻抗值更加靠近史密斯原图的中心点，同时，Z_(9.1,6.8)已经非常接近Smith圆图中心点，所以，满足电感值为7.5nH-10nH、电容值为5pH-7.5pH的区域即为最终匹配区域；

步骤5.3、以匹配区域内任一点所对应的电容值和电感值设计L行阻抗匹配网络。

在最终区域内的任一点即可设计出L型阻抗匹配网络，本实施例中，L型匹配网络中的电感值取9.1nH，电容值取6.8pF。

通过本方法使设计L型阻抗匹配网络具有标准化和固定化特点，可以快速成功的设计出阻抗匹配网络。