基于集总元件的多频阻抗匹配方法

本发明涉及多频点阻抗匹配网络，尤其涉及一种基于集总元件的多频阻抗匹配方法，属于微波多频阻抗匹配网络领域。
背景技术：
：随着无线通信技术的快速发展，通信系统中采用的频段越来越丰富，同一设备在多个频段上同时运行不同模式的通信系统已成为常态，这使得可同时满足多频工作要求的射频组件需求量日益增长，例如多频功率放大器、多频低噪声放大器和多频无线能量收集装置等。多频阻抗匹配网络作为多频射频组件的最重要组成部分之一，具有非常重要的研究意义。目前多频阻抗匹配网络的研究，主要包括两类：1、将多路单频点匹配网络并联，使用射频开关阵列对匹配网络进行选择，这种方法由于采用了射频开关或其他可变设备，降低了系统的性能和可靠性；2、基于传输线级联的多频匹配网络，由于传输线尺寸与波长相关，当频率较低时，上述基于传输线的多频匹配网络尺寸较大，不易于芯片集成，从而难以应用集成电路相关领域。近年来，集成电路技术进步突飞猛进，通信系统集成化趋势日益上升，面对不断增多的工作频段需求，如何在较小的体积下，实现在多个频点上的复数阻抗匹配成为一个核心问题，基于集总元件的多频阻抗匹配是一种有效的解决方案。CN102694519A公布了一种集总参数三频阻抗匹配网络，但是其记载的集总元件匹配网络所能实现的频点数目受限于其单一固定的电路模型，在三频点处对应方程存在解析解，当频点个数超过三个时将难以求解，且对应方程的形式过于复杂，较难适用于灵活多变的集成片上匹配网络。技术实现要素：要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于集总元件的多频阻抗匹配方法，在减小电路体积的同时，实现多频内的复数阻抗匹配。技术方案一种基于集总元件的多频阻抗匹配方法，实现所述方法的阻抗匹配网络由对应频点数量的多频源阻抗端、多频负载阻抗端和多级匹配网络组成；所述多频源阻抗端和多频负载阻抗端具有如下特征：1)频率为f1时：源阻抗为ZS1和负载阻抗为ZL1；2)频率为f2时：源阻抗为ZS2和负载阻抗为ZL2；3)......依次类推，频率为fn时：源阻抗为ZSn和负载阻抗为ZLn；所述多级匹配网络具有如下特征：1)第一级：实现f1对应的负载阻抗ZL1匹配到源阻抗ZS1；2)第二级：由在f1频点谐振的串联谐振回路和在f1频点谐振的并联谐振回路组成；3)第三级：由在f1、f2频点谐振的串联谐振回路和在f1、f2频点谐振的并联谐振回路组成；4)......依次类推，第n级：由在f1、f2、......、fn-1频点谐振的串联谐振回路、在f1、f2、......、fn-1频点谐振的并联谐振回路；所述的串联谐振回路并联相接，所述的并联谐振回路串联相接。所述第一级匹配网络采用L型或PI型阻抗匹配网络实现。所述的多频负载阻抗和多频源阻抗均为复阻抗，有一个虚部和实部。一种多频功率放大器，包括采用上述的方法实现的阻抗匹配网络。一种多频低噪声放大器，包括采用上述的方法实现的阻抗匹配网络。一种多频无线能量收集装置，包括采用上述的方法实现的阻抗匹配网络。有益效果本发明提出的一种基于集总元件的多频阻抗匹配方法，首先用第一级匹配网络，实现f1阻抗匹配。接着利用由谐振频率为f1的串联谐振回路和并联谐振回路组成的第二级匹配网络，在不影响f1阻抗匹配的情况下，实现f2阻抗匹配。依次类推，第n级匹配网络由谐振频率在f1、f2…fn-1的串联谐振回路和并联谐振回路通过并联和串联的连接形式组成，在不影响f1、f2…fn-1阻抗匹配的情况下，实现fn阻抗匹配。增加级联的匹配网络，可以实现任意多频点、任意阻抗的阻抗匹配。本发明的多个频点、阻抗点之间不相关，可以任意选取，可以应用到射频功率放大器、低噪声放大器、无线能量收集等多种电路设计中，有利于提高系统设计的灵活性，减小电路体积。有益效果如下：1、匹配网络基于集总元件完成设计，并通过集成电路或者MMIC实现，具有体积小的优势。2、可在多个频点上实现从一个复数阻抗匹配到另一个复数阻抗。3、多个频点、阻抗点之间不相关，可以任意选取。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1是根据本发明的实施方式的多频匹配网络的示意图。图2是根据本发明的实施方式的多频匹配网络的一种实例。图3是多频匹配网络S11仿真曲线图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本发明第一级L型匹配网络，实现f1阻抗匹配。接着利用由谐振频率为f1的谐振回路组成的第二级L型匹配网络，在不影响f1阻抗匹配的情况下，实现f2阻抗匹配。第n级匹配网络由谐振频率在f1、f2…fn-1的串联谐振回路和并联谐振回路通过并联和串联的连接形式组成，在不影响f1、f2…fn-1阻抗匹配的情况下，实现fn阻抗匹配。图1示出了根据本发明的实施方式的多频匹配网络100，它由多频源阻抗端101、多级匹配网络102和多频负载阻抗端103组成。其中多级匹配网络的内部除第一级匹配网络外，均由集总元件谐振回路111组成。除第一级匹配网络外，第n级匹配网络由谐振频率在f1、f2…fn-1的串联谐振回路和并联谐振回路通过并联和串联的连接形式组成，故第n级匹配网络对f1、f2…fn-1频点的阻抗没有影响，且同时实现f1、f2…fn-1对应的负载阻抗ZL1、ZL2…ZL(n-1)匹配到源阻抗ZS1、ZS2…ZS(n-1)。图2示出了根据本发明的实施方式的三频阻抗匹配网络100的一个例子，可以用相似的电路实现其它频点的阻抗匹配。负载阻抗端103包括三个频率点1.0GHz、2.0GHz和3.0GHz的不同负载阻抗，采用30欧姆电阻串联2.0nH电感替代，由于第一级匹配网络的L1大于2.0nH，故将该2.0nH电感并入阻抗匹配网络，所观测的负载端阻抗等效为30欧姆电阻。源阻抗端101为50欧姆。负载阻抗为30欧姆电阻串联2.0nH电感在三个频点下的阻抗值，在1.0GHz，2.0GHz，30GHz，对应阻抗分别为30+j*12.556欧姆，30+j25.133欧姆，30+j*37.699欧姆；本实例中将2.0nH的串联电感并入了匹配网络中，因为匹配网络的第一级也是串联电感，电感值为1.87628nH，两者串联，电感值相加，所以L1电感大小为3.87628nH。三频阻抗匹配网络100工作在1.0GHz、2.0GHz和3.0GHz。第一级匹配网络102使用L型匹配，负载阻抗端经串联L1，并联C1后，实现f1对应的负载阻抗ZL1匹配到源阻抗ZS1，并在C2左侧呈现输入阻抗Zin-1在f1频点等于ZS1、在f2频点等于ZL2’，实现f1频点阻抗匹配；第二级匹配网络102，采用在f2频率下的等效元件Le1、Ce1，等效元件由谐振频率为f1的谐振回路组成，在不影响f1频点阻抗的情况下实现f2对应的负载阻抗ZL2匹配到源阻抗ZS2，并在L3左侧呈现输入阻抗Zin-2在f1频点等于ZS1、在f2频点等于ZS2、在f3频点等于ZL3”，实现f1、f2频点阻抗匹配；第三级匹配网络102，采用在f3频率下的等效元件Le2、Ce2，等效元件由谐振频率为f1、f2的谐振回路组成，在不影响f1、f2频点阻抗的情况下实现f3对应的负载阻抗ZL3匹配到源阻抗ZS3，并在L3左侧呈现输入阻抗Zin-2在f1频点等于ZS1、在f2频点等于ZS2、在f3频点等于ZS3，实现f1、f2、f3频点阻抗匹配。第二级匹配网络的集总元件谐振回路111中具体元件的计算方法如下列方程所示：其中ωn为角频率，与fn关系如式(3)所示：ωn＝2πfnn＝1,2,3...(3)第三级匹配网络的集总元件谐振回路111中，由于谐振回路的串联与并联，导致f3频率下的等效元件Le2、Ce2减半，为方便计算，取每一路谐振回路在f3频率下的等效元件为Le2、Ce2的2倍，元件的具体计算方法如下列方程所示：计算出的元件值如表1所示。表1元件符号元件值元件符号元件值L13.87628nHC40.823260222pFC12.59404pFL54.80754278nHL27.36264nHC55.26886542pFC23.44038pFL61.0212988218nHL311.03390nHC624.802041645pFC32.29568pFL70.159577941nHL47.692068448nHC739.683266632pF图3示出了本发明实例的电路仿真S11曲线，在1.0GHz、2.0GHz和3.0GHz三个频点，分别达到-52.776dB、-57.636dB和-68.503dB，实现了三频阻抗匹配。上述多级匹配网络不仅限于三级，可依据相同方法扩展值四级、五级甚至更高级。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12