微波技術基礎中阻抗匹配的電磁仿真教學研究

朱浩然，孫玉發，吳先良

（安徽大學電子信息工程學院，安徽合肥230039）

阻抗匹配內容是“微波技術”課程教學中的重要部分[1]。關于阻抗匹配的教學，重點在于理解阻抗匹配的基本概念、掌握一些基本的阻抗匹配方法及其運用。阻抗匹配也是微波電路和系統設計時必須考慮的重要問題之一[2]。這方面的內容實際應用背景較強，而學生們在掌握了阻抗匹配的理論知識后，不能很好地與實際應用相結合。近年來，隨著計算機技術的迅猛發展，商業化的射頻EDA軟件于20世紀90年代大量涌現，所以有越來越多的人采用電磁仿真軟件來設計微波器件。學生們可以通過電磁仿真實驗將理論和實踐相結合，培養動手能力和創新能力[3-4]。

本文的目的是希望能夠將電磁仿真和阻抗匹配的理論教學相融合，讓學生在加深基本理論理解的同時，也掌握一些電磁仿真軟件的基本操作，熟悉操作流程，為之后進一步的學習打下基礎。

1 電磁仿真軟件簡介

現如今的產品設計，不論是結構制圖，還是電路板的設計，以及電子電路仿真都離不開電磁仿真軟件。作為一名射頻工程師，必須掌握兩種以上的電磁仿真軟件，所以在課程中加入電磁仿真實驗是很有意義的。目前，市場上商業化的電磁仿真軟件層出不窮，每一款主流軟件也都各有所長。其中，Ansys Designer是微波技術領域的典型仿真軟件之一，它具有齊全的微波電路/射頻電路器件庫以及豐富的函數庫，自帶C/C++、Verilog和Matlab等算法的開發語言接口。HFSS軟件的用戶設計界面簡潔整齊，便于上手，精準地自適應場解器，可利用Optimetrics選件對參數進行優化，從而計算任意形狀三維無源結構的S參數和全波電磁場。另外，ADS軟件功能也很強大，在射頻集成電路方向應用廣泛。CST對三維復雜結構仿真精度高，計算速度快，可以完成系統級的電磁兼容仿真，同時也支持和ADS的協同仿真。本文主要采用ADS軟件進行電磁場和路的輔助仿真與計算。

2 阻抗匹配理論分析

2.1 并聯單支節

圖1所示為并聯單支節調配電路，其中Zl為負載特征阻抗，Y0為歸一化導納，d為傳輸線距離負載的距離，L為并聯枝節線的長度。

圖1 單支節調配電路

其中，

解得：

將t代入（4）式中，使得支節的輸入電納為-B，則推導得到支節的長度：

當其為短路支節時：

當其為開路支節時：

圖2 雙支節調配電路

2.2 并聯雙支節

一般單支節調配器用于匹配任意負載阻抗，但它要求支節的位置可調，為了可通過雙支節調配器來解決。通常，根據傳輸線阻抗變化特性，并聯雙支節的兩支節之間的距離可選取圖2所示為并聯雙支節調配電路。其中，第1支節左側的導納為

式中，Y1是第1個支節的輸入導納。其經過長度d后，變換至第2個支節的導納Y2為

對GL求解得到：

由于GL為實數，所以（12）式中的平方根為非負數，推導得到：

給定間距d，可以匹配GL值的范圍。當d固定后，第1支節的輸入導納可由（11）式求得，支節的長可通過B求得，因此，

3 阻抗匹配的仿真實例

根據上述關于傳輸線阻抗匹配的基本理論，可計算得到單枝節和雙枝節阻抗匹配的值。為驗證理論計算的準確性，并讓學生對阻抗匹配有直觀認識，本章節采用ADS電磁仿真軟件進行計算，分別從傳輸特性和Sm ith圓圖來加深理解。

3.1 單枝節短截線匹配電路

圖3 微帶單枝短截線匹配電路原理圖

圖4 匹配網絡的子電路

對優化設置的電路進行仿真，并得到微帶單枝短截線的S參數圖，如圖5所示。從圖5的仿真結果可以看出，S參數值都比較理想，此仿真過程實現了單枝節短截線的電路阻抗匹配。

圖5 微帶單枝節短截線匹配電路的S參數圖

3.2 雙枝節短截線匹配電路

設計目標使得ZL=（50+j*50）Ohm的負載阻抗與Zin=50Ohm的輸入阻抗在頻率1GHz時達到良好的匹配，其中傳輸線的特性阻抗為50Ohm。本小節主要是基于雙枝節短截線電路進行阻抗匹配仿真，匹配電路多采用雙枝節短截線匹配電路，設計合適的短截線長度。根據前述理論計算，傳輸線的長度分別為L1=λ/8，L2=L3=3λ/8，通過ADS建立電路仿真原理圖，并完成參數設置，如圖6所示。基于smith圓圖的結果，對匹配網絡電路進行優化仿真，如圖7所示。將設計好的電路進行仿真計算，得到的傳輸特性和Smith圓圖的結果，如圖8所示。由圖可知，雙枝節短截線方法設計的匹配電路，在1GHz時，S(1,1)和S(2,2)在S mith圓圖的匹配點上；S(2,1)和S(1,1)基本趨近于零，傳輸線損耗小于0.3 dB。阻抗匹配效果良好，基本達到了預期設計目標。

圖6 電路原理圖

圖7 匹配網絡的子電路

圖8 微帶雙枝短截線匹配電路的S參數圖

4 結束語

綜上所述，在微波技術基礎的阻抗匹配教學中引入電磁仿真教學，使課堂教學與實際應用相結合，加深了同學對阻抗匹配理論知識的理解，激發了學生們的學習熱情，使其能掌握一些電磁仿真軟件工具，為其在今后的學習和工程應用打下良好的基礎。