3GHz微波開關中匹配網絡的設計*

劉繼勇 朱滿意

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)

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3GHz微波開關中匹配網絡的設計*

劉繼勇 朱滿意

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)

在微波通信系統中，信號通過開關進行發射和接收，需要對特定頻率范圍的信號進行處理，為了防止信號的泄漏和回流，最小限度地抑制能量衰減，保障信號最大功率的傳輸和不失真，采用阻抗匹配網絡技術，結合ADS仿真軟件進行實驗驗證，設計出中心頻率3GHz的阻抗匹配電路，提高了開關的性能，開關端口1的電壓駐波比為1.023，端口2的電壓駐波比為1.104，從而改善了端口的信噪比，提高了信號的傳輸效率。

ADS; 3GHz; 阻抗匹配; 電壓駐波比

Class Number TN015

1 引言

阻抗匹配是射頻/微波電路和系統設計最關鍵環節之一，在集總參數匹配網絡中主要有三種括撲結構，大致分為L型網絡、T型網絡和Ω型網絡結構[1]。這些結構體積小、操作方便、設計靈活等優點。選擇合適的匹配網絡能夠達到信號功率輸入的最大化和改善信噪比，有效地降低電壓駐波比(VSWR)，提高了電路系統的傳輸效率。目前一些微波開關由于阻抗不匹配導致信號發生反射，對開關及系統造成危害。在開關端口匹配合適的濾波器就可以解決阻抗不匹配的問題。最后在微波開關電路的輸入和輸出端口都加入了阻抗匹配網絡，并在中心頻率3GHz仿真得到驗證。

2 阻抗匹配分析

在處理射頻/微波通信的實際應用時，各部分級聯電路經常會出現阻抗不匹配的問題，其中開關與發射/接收電路端之間的匹配、天線與開關之間的匹配是系統最重要的因素之一。為了提高信號的傳輸效率、降低信號的衰減，保證信號或能量有效接收和發射，開關輸入和輸出電路都要達到最佳狀態。在高頻電路中，傳輸線上的電感，板層之間的電容和導體的電阻對匹配網絡都有不可預知和明顯的影響?？梢酝ㄟ^Smith圓圖來進行設計[2]，可以找出匹配網絡元件的數值、最大功率傳輸，確定品質因數及穩定性分析。如圖1所示，開關的輸入和輸出阻抗匹配網絡結構。

圖1 開關的輸入和輸出阻抗匹配網絡結構

在微波匹配開關的設計中，需要低的電壓駐波比(VSWR)，就要確定輸入阻抗和輸出阻抗，為了達到網絡端口阻抗最佳匹配，在開關電路的輸入端需要滿足最佳源反射系數，整個微波匹配開關前級有輸入阻抗匹配網絡電路，后級有輸出匹配網絡[3～4]。Γa為輸入阻抗，Γb為輸出阻抗，Za包含50Ω的負載，Zb包含50Ω的前端信號源。電路當中反射系數和電壓駐波比公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

對于開關電路來說，反射系數ΓS包括信號源和輸入匹配網絡，阻抗為ZS,反射系數ΓIN對于整個后級電路，阻抗為ZIN，反射系數ΓOUT對于前級整個電路，阻抗為ZOUT，反射系數ΓL對于輸出匹配網絡和50Ω負載，阻抗為ZL,反射系數Γb對于前級整個電路，阻抗為Zb。當滿足ZIN=ZS*或者ΓIN=ΓS*時，匹配開關的電路才能達到阻抗匹配，此時信號輸入功率達到最大值。

3 Smith原圖匹配電路

圖2 Smith原圖四個區域

對微波/射頻電路，確定高頻電路阻抗響應是關鍵問題，具體在設計阻抗匹配網絡，可以選擇不同的結構。在匹配網絡中串聯或并聯元件，并確定阻抗匹配目標的值。首先分析六種不同的添加元件方法[7～9]，在a，b,c路線是往Ⅱ和Ⅳ區方向，其分別并聯一個電感，電阻和電容。路線d,e,f往Ⅰ和Ⅳ區方向，其分別串聯一個電感，電阻和電容。在電抗圓的上半圓都為正(即感性)，下半圓為負(即容性)，如圖3所示。

圖3 Smith原圖阻抗匹配網絡路線

4 微波開關匹配網絡的設計

在圖4所示的電路中，在控制端子施加電源電壓，也可以使PIN二極管不損壞的境況下決定R1的值[10]。3GHz頻帶時為高阻抗決定L3,L4,L5的值，3GHz頻帶時為低阻抗決定C2，C3，C5，C8，C9的值。此時端口1和端口2都沒有進行阻抗匹配。

圖5是未匹配開關電路的仿真分析結果，圖中標記處表示3GHz時的特性值。

從仿真結果可以得到反射系數S(11)為-36.626dB，S(22)為-21.620dB，端口1的電壓駐波比(VSWR1)為1.030，端口2電壓駐波比(VSWR2)為1.181，圖6和圖7分別在微波開關電路中添加輸入阻抗匹配網絡和輸出阻抗匹配網絡。

圖4 微波開關電路仿真圖

(a)端口1的反射系數

(b)端口2的反射系數

(c)端口1和端口2的電壓注液池

(d)S(11)和S(22)在Smith原圖匹配位置

圖6 輸入阻抗匹配網絡

圖7 輸出阻抗匹配網絡

輸入阻抗匹配L型網絡結構，由電阻為7.25Ω和電容為63.9925fF組成，輸出匹配是由電阻和電容并聯組成，數值大小分別為375.88Ω和11.9698fF，圖8是匹配后的微波開關仿真示意圖。

(a)端口1的反射系數

(b)端口2的反射系數

(c)端口1和端口2的電壓駐設池

(d)S(11)和S(12)在Smith原圖匹配位置圖8 匹配后微波開關仿真圖

5 結語

采用Smith原圖對微波開關進行匹配網絡的設計，通過最后匹配結果可以知道，反射系數S(11)為-38.976dB，反射系數S(22)為-26.086dB，比匹配前的反射系數分別提高了2.35dB和4.466dB。端口1的電壓駐波比(VSWR1)為1.023，端口2的電壓駐波比(VSWR2)為1.104，匹配后比匹配前端口1和端口2的電壓駐波比降低了一些，在中心頻率3GHz的性能得到了提高，在高頻電路里，電壓駐波比(VSWR)微小的改變就會對電路產生很大的影響，從匹配后的仿真曲線結果可以看出，大于中心頻率的曲線變化，性能要優于未匹配時的開關，也可以從圖8(d)中直觀看出仿真值距離匹配點最接近。微波開關匹配網絡的設計和選擇對設計高性能微波毫米波頻段開關具有較好的參考價值。

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Design of Matching Network in the 3GHz Microwave Switch

LIU Jiyong ZHU Manyi

(School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

In microwave communication systems, signal is transmited and received by the switch, this needs to deal with a specific frequency range of signal. In order to prevent signal’s leakage and return,restrain energy attenuation for the minimum limit, ensure signal maximum power transfer and no distortion,this paper adopts the impedance atching network technology and combines with ADS simulation software for experimental verification and designs the center frequency of 3 GHz impedance matching circuit and improves the performance of the switch. The switch port 1 voltage standing wave ratio is 1.023，port 2 voltage standing wave ratio is 1.104. It improves the signal-to-noise ratio of the port and boost the efficiency of the transmission of signals.

ADS, 3GHz, impedance, VSWR

2016年5月10日,

2016年6月24日

劉繼勇，男，碩士，高級工程師，研究方向：射頻與微波電路。朱滿意，男，碩士研究生，研究方向：射頻與微波電路。

TN015

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.038