如何设计阻抗匹配网络第一部分
阻抗匹配设计原理及方法
阻抗匹配设计原理及⽅法阻抗匹配（Impedance matching）是微波电⼦学⾥的⼀部分，主要⽤于传输线上，来达⾄所有⾼频的微波信号皆能传⾄负载点的⽬的，⼏乎不会有信号反射回来源点，从⽽提升能源效益。
阻抗匹配有两种，⼀种是透过改变阻抗⼒（lumped-circuit matching），另⼀种则是调整传输线的波长（transmission line matching）。
要匹配⼀组线路，⾸先把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归⼀化，然后把数值划在史密斯图上。
改变阻抗⼒把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿着代表实数电阻的圆圈⾛动。
如果把电容或电感接地，⾸先图表上的点会以图中⼼旋转180度，然后才沿电阻圈⾛动，再沿中⼼旋转180度。
重复以上⽅法直⾄电阻值变成1，即可直接把阻抗⼒变为零完成匹配。
阻抗匹配：简单的说就是「特性阻抗」等于「负载阻抗」。
调整传输线由负载点⾄来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿着图中⼼以逆时针⽅向⾛动，直⾄⾛到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗⼒调整为零，完成匹配。
阻抗匹配则传输功率⼤，对于⼀个电源来讲，单它的内阻等于负载时，输出功率最⼤，此时阻抗匹配。
最⼤功率传输定理，如果是⾼频的话，就是⽆反射波。
对于普通的宽频放⼤器，输出阻抗50Ω，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是如果信号波长远远⼤于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就⽆须考虑阻抗匹配了。
阻抗匹配是指在能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传输不会产⽣反射,这表明所有能量都被负载吸收了.反之则在传输中有能量损失。
⾼速PCB布线时，为了防⽌信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。
这是个⼤约的数字,⼀般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线则为100欧姆,只是取个整⽽已,为了匹配⽅便.阻抗从字⾯上看就与电阻不⼀样，其中只有⼀个阻字是相同的，⽽另⼀个抗字呢？简单地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；周延⼀点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。
ADS仿真作业用LC元件设计L型阻抗匹配网络
用LC元件设计L型的阻抗匹配网络一设计要求：用分立LC设计一个L型阻抗匹配网络，使阻抗为Z=25-j*15 Ohm的信号源s与阻抗为Z=100-j*25 Ohm的负载匹配，频率为50Mhz。
（L节匹配网络）L二阻抗匹配的原理用两个电抗元件设计L型的匹配网络，应该是匹配网络设计中最简单的一种，但仅适用于较小的频率和电路尺寸的范围，即L型的匹配网络有其局限性在RF理论中，微波电路和系统的设计（包括天线，雷达等），不管是无源电路还是有源电路，都必须考虑他们的阻抗匹配（impedance matching）问题。
阻抗匹配网络是设计微波电路和系统时采用最多的电路元件。
其根本原因是微波电路传输的是电磁波，不匹配会引起严重的反射，致使严重损耗。
所以在设计时，设计一个好的阻抗匹配网络是非常重要的。
阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。
对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。
在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。
根据最大功率传输定理，要获得信号源端到负载端的最大传输功率，需要满足信号源阻抗与R?iX?R?iXX?X?0，负载阻抗互为共轭的条件，。
若电路为纯电阻电路则即LLSLSS R?R。
而此定理表现在高频电路上，则是表示无反射波，即反射系数为0.即LS值得注意的是，要得到最佳效率的能量传输并不需要负载匹配，此条件只是避免能量从负载端到信号源端形成反射的必要条件。
当RL=Rs 时可获得最大输出功率,此时为阻抗匹配状态。
无论负载电阻大于还是小于信号源内阻,都不可能使负载获得最大功率,且两个电阻值偏差越大,输出功率越小. 阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。
当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。
反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。
ADS仿真作业用LC元件设计L型阻抗匹配网络
用LC元件设计L型的阻抗匹配网络一设计要求：用分立LC设计一个L型阻抗匹配网络，使阻抗为Z=25-j*15 Ohm的信号源s与阻抗为Z=100-j*25 Ohm的负载匹配，频率为50Mhz。
（L节匹配网络）L二阻抗匹配的原理用两个电抗元件设计L型的匹配网络，应该是匹配网络设计中最简单的一种，但仅适用于较小的频率和电路尺寸的范围，即L型的匹配网络有其局限性在RF理论中，微波电路和系统的设计（包括天线，雷达等），不管是无源电路还是有源电路，都必须考虑他们的阻抗匹配（impedance matching）问题。
阻抗匹配网络是设计微波电路和系统时采用最多的电路元件。
其根本原因是微波电路传输的是电磁波，不匹配会引起严重的反射，致使严重损耗。
所以在设计时，设计一个好的阻抗匹配网络是非常重要的。
阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。
对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。
在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。
根据最大功率传输定理，要获得信号源端到负载端的最大传输功率，需要满足信号源阻抗与R?iX?R?iXX?X?0，负载阻抗互为共轭的条件，。
若电路为纯电阻电路则即LLSLSS R?R。
而此定理表现在高频电路上，则是表示无反射波，即反射系数为0.即LS值得注意的是，要得到最佳效率的能量传输并不需要负载匹配，此条件只是避免能量从负载端到信号源端形成反射的必要条件。
当RL=Rs 时可获得最大输出功率,此时为阻抗匹配状态。
无论负载电阻大于还是小于信号源内阻,都不可能使负载获得最大功率,且两个电阻值偏差越大,输出功率越小. 阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。
当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。
反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。
衰减及阻抗匹配网络的设计
实验二衰减及阻抗匹配网络的设计一、实验目的⒈了解衰减器和网络匹配的特点。
⒉学习常用衰减器和匹配网络的设计方法。
⒊学习精确阻值电阻的制作。
二、原理与说明⒈衰减器的主要用途在信号源与负载之间插入衰减器，使信号通过它产生一定大小或可以调节的衰减，以满足负载或下一级网络在正常工作时对输入信号幅度的要求。
常用的衰减网络结构有倒L型、T型、П型和桥T型等几种。
⒉常用衰减器的衰减量有连续可调和按步级衰减两种衰减器的衰减量，即衰减倍数可直接用输入、输出电压比表示，也可以用它的dB数表示。
图2-1和图2-2所示为两种按分压器原理工作的衰减器，其中图2-1所示是一个电位器，它的分压比连续可调；图2-2规律衰减的步级衰减器，这两种衰减器都可等效成倒L型网络，输入特性阻抗和输出特性阻抗不等，且随衰减量的不同而变化。
此类衰减器常用在对匹配要求不高的场合，并且要求负载电阻越大越好。
图2-1图2-2⒊对称网络衰减器当要求衰减器的插入不改变前后级匹配状况时，常采用如图2-3所示T型或П型对称网络衰减器。
这类对称网络的特点是输入、输出特性阻抗一致且不随衰减档级而变化。
R RR(a)(b)图2-3若衰减器的电压衰减倍数12U N U ⎛⎫⎪⎝⎭和特性阻抗C Z 给定，则元件参数可由（2-1）式或（2-2）式决定。
对П型衰减器有2112C N R Z N -=211CN R Z N +=- （2-1） 对T 型衰减器有111CN R Z N -=+ 2221C NR Z N =- （2-2）图2-4用多个相同的衰减器级联可构成一个步级衰减器，如图2-4所示。
由于其中两个2R 并联可用一个2R /2来等效，因此还可以用图2-5所示梯形电路构成衰减器。
由于是对称网络，级联后输入输出特性阻抗不变，而总衰减量为各级衰减量相乘或dB 数之和。
图2-5⒋ 倒L 型网络衰减器当前后级或信号源与负载网络不匹配时，可以插入一倒L 型网络，使之成为匹配传输网络（倒L 型网络本身是衰减器,因此在匹配的同时也产生衰减）。
阻抗匹配的原理与方法
一、50ohm特征阻抗终端电阻的应用场合：时钟，数据，地址线的终端串联，差分数据线终端并联等。
终端电阻示图B.终端电阻的作用：1、阻抗匹配，匹配信号源和传输线之间的阻抗，极少反射，避免振荡。
2、减少噪声，降低辐射，防止过冲。
在串联应用情况下，串联的终端电阻和信号线的分布电容以及后级电路的输入电容组成RC滤波器，消弱信号边沿的陡峭程度，防止过冲。
C.终端电阻取决于电缆的特性阻抗。
D.如果使用0805封装、1/10W的贴片电阻,但要防止尖峰脉冲的大电流对电阻的影响，加30PF的电容.E.有高频电路经验的人都知道阻抗匹配的重要性。
在数字电路中时钟、信号的数据传送速度快时，更需注意配线、电缆上的阻抗匹配。
高频电路、图像电路一般都用同轴电缆进行信号的传送，使用特性阻抗为Zo＝150Ω、75Ω的同轴电缆。
同轴电缆的特性阻抗Zo，由电缆的内部导体和外部屏蔽内径D及绝缘体的导电率er决定：另外，处理分布常数电路时，用相当于单位长的电感L和静电容量C的比率也能计算，如忽略损耗电阻，则图1是用于测定同轴电缆RG58A/U、长度5m的输入阻抗ZIN时的电路构成。
这里研究随着终端电阻RT的值，传送线路的阻抗如何变化。
图1 同轴传送线路的终端电阻构成只有当同轴电缆的特性阻抗Zo和终端阻抗RT的值相等时，即ZIN＝Zo＝RT称为阻抗匹配。
Zo≠RT时随着频率f，ZIN变化。
作为一个极端的例子，当RT＝0、RT＝∞时可理解其性质(阻抗以，λ/4为周期起伏波动)。
图2是RT＝50Ω(稍微波动的曲线)、75Ω、dOΩ时的输人阻抗特性。
当Zo≠RT时由于随着频率，特性阻抗会变化，所以传送的电缆的频率特上产生弯曲.二、怎样理解阻抗匹配？阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。
阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。
我们先从直流电压源驱动一个负载入手。
由于实际的电压源，总是有内阻的（请参看输出阻抗一问），我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。
电路阻抗匹配网络的设计
同性质 ， 另一个异性质 ）。 为了设计阻抗匹配网络 ， 就必须计算出网络中各元件的数值 。 在 阻抗匹配网络的设计计算中 ， 利用镜像参数是比较方便的 。 对于 T 型网络和 Π 型网络这样的无源网络 ， 可以采用开路阻抗 和短路阻抗作为网络参数 。 该网络参数分别是 ： 输出端口开路时的输入阻抗 ：（Zin ）∞ =
姨
姨
姨
图4
倒 L 型网络
同理 ， 对于图 4 （d ） 所示 。 可以求得 ：
RL , X1 = 姨R'L(RL -R'L ) RL -R'L 可见 ， 采用图 （a ） 所示电路 ， 可以在谐振频率处增大负载电阻的等 效值 。 而图 （b ） 所示电路可以在谐振频率处减小负载电阻的等效值 。 2．4 T 型和 Π 型选频匹配网络 T 型网络和 Π 型网络各由三个电抗元件组成 （ 其中两个电抗元件 X2 =RL
觶 U 1 觶 I
1
觶 =0 I 2
●
觶 =0 U 2
觶 U 输出端口短路时的输入阻抗 ：（Zin ）0 = 1 觶 I
1
【 参考文献 】
［1］ 赵震初 .无线电技术基础 .北京理工大学出版社 ,2004． ［2］ 姜茂仁 .航空高频电子线路 .海潮出版社 ,2002． ［3］ 张肃文 .高频电子线路 .高等教育出版社 ,2008．
对于自耦变压器有相同的变换关 系。
2．2 电容 、 电感分压式电路
实验四阻抗匹配网络理论
实验四 阻抗匹配网络理论一、 实验目的1． 了解基本的阻抗匹配理论；2． 利用实验模组实际测量以了解匹配电路的特性。
二、 实验原理在高频电路设计中，阻抗匹配是很重要的一环。
从直流电路的基本理论中，我们知道若信号源的电阻与输出之负载电阻相同时，就可在输出端得到最大的功率输出。
但是在交流电路中，除了电阻，尚有电容与电感等电抗性组件，因此若要求得到最大功率输出时，除了两端的电阻相等外，还需信号源的电抗与负载的电抗互成共轭才行。
所以阻抗匹配的目的就是经由适当方法选择组件使得信号源与负载两端的电抗值成共轭关系，以便产生谐振而互相抵消，使得电路中仅存电阻性，而能得到最大功率传输。
其次，由于现成的网络组件，其阻抗值会随着频率的变化而变化，因此阻抗匹配只能适用于某一特定的频率，但是对于宽频的电路来说，所设计的电路都期望能涵盖整个频宽。
就理论而言，可借着适当方法来增加阻抗匹配的频宽范围。
如图7-1（a ）所示：输入信号经过传输以后，其输出功率与输入功率之间存在以下关系，信号的输出功率直接决定于输入阻抗与输出阻抗之比。
inout S S in SL LL S S L P k kP R V P R k R R R R V R I Pout ⋅+=⇒=⋅=⋅+=⋅=22222)1()(图7-1（a ） 输出输入功率关系图输出功率与阻抗比例的关系图见图7-1（b ）。
由图可知，当R L =R S 时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。
图7-1（b）输出功率与阻抗比例关系图推而广之，如图7-1（c）所示，当输入阻抗Z S与负载阻抗Z L间成为Z S=Z L*的关系时，满足广义阻抗匹配的条件。
所以，阻抗匹配电路也可以称为阻抗变换器。
当Z L=Z S*,即是[匹配]图7-1(c) 广义[阻抗匹配]关系图欲得到最大的功率输出，则须对电路加以阻抗匹配，阻抗匹配网络一般可分为三种：L 型、π型及T 型三种。
选用何种匹配端视情况而定，除非有特别需求，一般都是以最少的零件来完成匹配。
阻抗匹配网络
传输线的传播特性：终端短路
负载阻抗ZL=0，因而终端电压V=0，故
V (0) = V+ + V− = 0 ⇒ V+ = −V−
1 2V+ I (0) = I + + I − = (V+ − V− ) = = 2I + Z0 Z0
12
传输线的传播特性：终端短路
V ( z ) = V+ e jkz + V− e − jkz = V+ (e jkz − e − jkz ) = j 2V+ sin kz I ( z ) = I + e jkz + I − e − jkz = I + (e jkz + e − jkz ) = 2 I + cos kz
43
匹配网络的形式
传输线匹配技术 LC阻抗变换技术 变压器
44
阻抗匹配的方法：单支节调谐
单支节调谐：在离负载一定距离时与传输馈线并联 一段开路或短路的短截线进行匹配. 两个可调参数为分支线离开负载的距离d和并联分 支线提供的电纳值。 基本步骤是：选择适当距离，以使在分支节处看向 负载的导纳为Y+jB ,然后选取分支线导纳为-jB, 从 而获得匹配。分支线的电纳值，开路和短路都能提 供，长度相差λ/4
电抗圆用下式定义：
(Γr − 1) 2 + (Γi − 1 2 1 ) = ( )2 xL xL
当阻抗中的虚部一定 时，由实部变化引起 的反射系数的改变都 落在Γ平面上圆心 为 (1, 1 ) , 半径为
1 xL 的圆上。 xL
25
Smith圆图—导纳圆图
归一化等电导圆为：
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-20
-40
S21_HP
-60
S21_BP
S21_LP
-80 .1 1 10
Frequency (GHz)
中華大學 通訊系 17
ZL
25W
Lowpass
15.9nH 50W 3.18pF
12nH
ZL
25W
Highpass
50W 7.96nH
1.6pF
12nH
ZL
25W
中華大學 通訊系
16
Frequency Response of LP, BP, HP Matching Circuits
0
M ism a tch L o ss( d B )
Lumped L-Type Matching Network
Low-pass type
I, III
Z
II, IV
Z
50W
G 起點 50W
G 起點
High-pass type
I, IV 50W G 起點
Z
II, III 50W G 起點
Z
中華大學 通訊系
14
Lumped L-Type Matching Network
原始設計
起始 G1 50W 驗證 目標 G1’
中華大學 通訊系
L1
G2
C2 G2’
GS= GIN* 目標
ZIN GIN 起始
10
每個界面都將形成共軛匹配
Physical Characteristics of Complex Conjugate Matching Circuit
If GS = GIN* then G2=(G2’)* G1=(G1’)* For lossless matching network only
G2
G1
G1’ G2’
GS
GIN
每個界面都形成共軛匹配
中華大學 通訊系 11
特殊阻抗匹配技巧
(For lossless matching network only)
Z1
Lossless Input Matching Network
Z1
Lossless Input Matching Network
起始 G1 目標 GS (a) 從G1匹配到GS
Z1
Shunt L
G1
G2
Z1
G1
Shunt R
G2
G1
Z1
Shunt C
G2
中華大學 通訊系
G1
6
放大器設計的正確阻抗匹配技巧
Example: Input matching network design Step 1 決定“往前看”及“往後退”的方向
50W
Input Matching Network
Input Matching Network Output Matching Network
50W
?
(a) (b) (c) (d)
GS
GL
?
Lumped, distributed or mixed-mode circuits Frequency response: LP, HP or BP Bandwidth: Narrow or broad band design Tradeoff: Gain, VSWR, noise figure, output power
50W
Input Matching Network
G’2
G’3 GS
起始 GS G’2 G’3 其物理特性完全無法 達到預期的阻抗匹配
中華大學 通訊系
9
Physical Characteristics of Complex Conjugate Matching Circuit
50W
L1 C2
ZIN
Impedance Matching Network Design (I)
中華大學 通訊系 田慶誠 tien@.tw 03 5186030
中華大學 通訊系
1
Impedance Matching Manipulation
STEP 1 計算出電晶體所需配合的GS and GL STEP 2 規劃input and output matching circuits 50WZ1来自目標 G3G2
G1 起始
G3
G1
G2
起始 G1
G2
G3 目標
中華大學 通訊系
4
Series Lumped Matching Elements
Z1
G2
Z1
G1
G1
Series L
Series R
G2
G1
Series C
Z1
G2
中華大學 通訊系
G1
5
Shunt Lumped Matching Elements
起始
G1
GS 目標
Step 2 GS不可設為起點，必須視為目標。起點
G1必須設在50W原點。
中華大學 通訊系 7
放大器設計的正確阻抗匹配技巧
Step 3 決定串聯及並聯電路架構和元件值
50W
G2
G1 起始 G2 GS 目標 G1 GS
中華大學 通訊系
8
常見錯誤示範
若不管阻抗ZS或反射係數GS在電路中的方向性， 直接使用Smith chart…..
目標 G1* 起始 GS* (b) 從GS*匹配到G1*
原始方法(a)設計的無損耗阻抗匹配電 路與特殊技巧(b)設計的無損耗阻抗匹 配電路完全相同。
中華大學 通訊系 12
Four Matching Regions of Smith Chart
III 感抗區
II 高導納區 I 高阻抗區
IV 容抗區
中華大學 通訊系 13
中華大學 通訊系 2
Impedance Matching on Smith Chart
STEP 1 在電路圖中定義“往前看”所看 到的起始點負載阻抗Z1或反射係數G1
Z1
起始
Z1
G1 G1
G1
起始
中華大學 通訊系 3
Impedance Matching on Smith Chart
STEP 2 在電路圖中定義“往後退”的方 向用以加入並聯或串聯元件，並確定阻 抗匹配目標。
Band-pass type
IV 50W III 50W G 起點 G 起點
Z Z
IV 50W G 起點
Z
III
50W G 起點
Z
中華大學 通訊系
15
Frequency Response of LP, BP, HP Matching Circuits
Bandpass
50W 3.19pF 12nH 3.18pF