本發(fā)明屬于射頻電路設計領域，具體涉及一種L型阻抗匹配網(wǎng)絡設計方法。

背景技術：

阻抗匹配是射頻電路中一個非常重要的概念，只有當信號源所驅(qū)動電路的輸入阻抗和信號源阻抗共軛時，該電路從信號源吸收的功率才能達到最大值，這時稱信號源所驅(qū)動電路達到了輸入阻抗匹配條件。為了滿足阻抗匹配條件從而使傳輸功率達到最大，常常需要將某一阻抗(源阻抗)變換到另一特定的阻抗(負載阻抗)，實現(xiàn)這一功能的電路就是阻抗匹配網(wǎng)絡。目前有多種網(wǎng)絡可以實現(xiàn)阻抗匹配功能，其中L型阻抗匹配網(wǎng)絡是射頻電路設計中最常用到的阻抗匹配網(wǎng)絡，因其所用元器件最少，拓撲結構最簡單，由兩個無源元件(電容和電感)組成。

為了避免繁瑣的手工計算，工程上一般使用Smith圓圖來設計阻抗匹配網(wǎng)絡，但是設計人員須具備豐富的實踐經(jīng)驗才能夠操作。所以研究L型阻抗匹配網(wǎng)絡設計方法具有重大的理論價值和現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的阻抗匹配網(wǎng)絡設計需要進行大量復雜的手工計算或者軟件模擬仿真，而且得到的參數(shù)均為理想值，實際的電子元器件因為存在寄生參數(shù)，往往導致計算的理想值和實際值偏差非常大，后期仍然需要借助Smith圓圖來精確設計。所以在實際操作中大部分設計人員會憑借經(jīng)驗直接用Smith圓圖來設計阻抗匹配網(wǎng)絡，通過實驗的方法得到電子元器件的參數(shù)。所以無論設計人員是否計算仿真，最終都是用Smith圓圖來設計阻抗匹配網(wǎng)絡。具體設計時因人而異，根據(jù)設計人員的水平和習慣，設計方法千差萬別，沒有固定方法。水平高經(jīng)驗豐富的設計人員可能設計的快速一些，初級的設計人員往往設計的慢一些，甚至設計失敗。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種L型阻抗匹配網(wǎng)絡設計方法，以解決現(xiàn)有L型阻抗網(wǎng)絡設計方法步驟復雜、耗費時間、成功率低的問題。

本發(fā)明采用以下技術方案，一種L型阻抗匹配網(wǎng)絡設計方法，包括以下步驟：

步驟一、建立二維阻抗平面坐標系，并在二維阻抗平面內(nèi)選取起始點(n，n)，其中,n>0；

步驟二、根據(jù)起始點(n，n)設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡，并測量L型阻抗匹配網(wǎng)絡的特征阻抗值Z_(n，n)；判斷(n，n)是否為匹配點；若是，根據(jù)匹配點設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡；否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟三；

步驟三、增加步驟二中起始點對應的電容值和電感值，直至得出電容值和電感值所對應的點(m，m)，點(m，m)滿足以下條件：測量出點(m，m)對應的特征阻抗值Z_(m，m)，Z_(m，m)與史密斯圓圖中心點的距離小于Z_(n，n)與史密斯圓圖中心點的距離；其中，m>n>0；

步驟四、增加步驟三中點(m，m)對應的電容值和電感值，直至得出電容值和電感值所對應的兩個相鄰點(m₁，m₁)、(m₂，m₂)，點(m₁，m₁)、(m₂，m₂)滿足以下條件：與史密斯原圖中心點之間的距離小于步驟三中Z_(m，m)與史密斯圓圖中心點的距離，且與史密斯原圖中心點之間的距離大于步驟三中Z_(m,m)與史密斯圓圖中心點的距離；則判斷匹配點位于以(m₁，m₁)為坐標原點的阻抗平面內(nèi)第三象限且m₂>m₁>m>0，繼續(xù)執(zhí)行步驟五；

步驟五、縮小步驟四中匹配點所處的范圍，得出最終匹配區(qū)域，則最終匹配區(qū)域內(nèi)的任一點均為匹配點，并根據(jù)匹配點對應的電容值和電感值設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡。

進一步地，步驟一的具體方法為：

建立二維阻抗平面坐標系，橫軸為電感軸，縱軸為電容軸，在二維阻抗平面內(nèi)選擇起始點(n，n)其中，起始點(n，n)表示在L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值均為n，通過起始點(n，n)分別做出平行于電感軸和電容軸的直線，并通過兩條直線將二維阻抗平面分為四個象限。

進一步地，步驟五中得出最終匹配區(qū)域的具體方法為：

步驟5.1、選取匹配區(qū)域的中心點(m₁/2，m₁/2)，并通過中心點(m₁/2，m₁/2)在二維阻抗平面做出分別與電容軸、電感軸平行的直線，將匹配區(qū)域分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四部分，判斷匹配點所在象限，得出匹配區(qū)域；

步驟5.2、重復執(zhí)行步驟5.1，并得出最終匹配區(qū)域；

步驟5.3、以匹配區(qū)域內(nèi)任一點所對應的電容值和電感值設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡。

進一步地，步驟5.1中判斷匹配點所在象限的具體方法如下：

步驟5.1.1、保持中心點(m₁/2，m₁/2)的電容值不變，增大電感值，當特征阻抗值接近史密斯原圖中心點時，則匹配點位于第一象限或第四象限內(nèi)，否則，匹配點位于第二象限或第三象限內(nèi)；

步驟5.1.2、保持中心點(m₁/2，m₁/2)的電感值不變，增大電容值，當特征阻抗值接近史密斯原圖中心點時，則匹配點位于第一象限或第二象限內(nèi)，否則，匹配點位于第三象限或第四象限內(nèi)；

步驟5.1.3、根據(jù)步驟5.1.1和步驟5.1.2確定匹配點所在的匹配區(qū)域。

進一步地，在匹配區(qū)域內(nèi)，中心點的右上方為第一象限，中心點的左上方為第二象限，中心點的左下方為第三象限，中心點的右下方為第四象限。

本發(fā)明的有益效果是：通過本發(fā)明的方法，將阻抗匹配網(wǎng)絡設計方法標準化固定化，可以快速成功的設計出阻抗匹配網(wǎng)絡，極大地簡化了阻抗匹配網(wǎng)絡的設計方法，避免了手工計算和反復的實驗，節(jié)省了設計時間，降低了設計人員所需的理論水平和操作經(jīng)驗。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明中使用的史密斯圓圖；

圖2為本發(fā)明的阻抗平面及(n，n)點第一象限、(n，n)點第二象限、(n，n)點第三象限和(n，n)點第四象限示意圖；

圖3為本發(fā)明的阻抗平面及(m₁，m₁)點第三象限示意圖；

圖4為本發(fā)明的阻抗平面及(m₁，m₁)點第一象限、(m₁，m₁)點第二象限、(m₁，m₁)點第三象限和(m₁，m₁)點第四象限示意圖。

【具體實施方式】

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明公開了一種L型阻抗匹配網(wǎng)絡設計方法，包括以下步驟：

步驟一、建立二維阻抗平面，并在該平面內(nèi)建立二維阻抗平面坐標系，橫軸為電感軸，表示L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值，縱軸為電容軸，表示L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電容值，平面中任意一點表示了L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值，假設L型阻抗匹配網(wǎng)絡設計成功，那么在此二位阻抗平面中必存在一點與之對應，并且是唯一的，因此，L型阻抗匹配網(wǎng)絡設計工作就轉化為找出在此二維阻抗平面中的那一個點，命名為匹配點；

在二維阻抗平面內(nèi)選取一個起始點(n，n)，其中,n>0，選起始點時，也可以選擇橫縱坐標不同的值作為起始點，優(yōu)選的選取橫縱坐標都相同的點，以便于設計L型阻抗網(wǎng)絡設計工作更加快捷；

起始點(n，n)表示在L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值為n，單位為nH，電容值為n，單位為pF，起始點的選擇可根據(jù)個人的經(jīng)驗選擇，在本實施例中選取點(5，5)，即起始的電感值為5nH，電容值為5pH；

通過起始點(n，n)分別做出平行于電感軸和電容軸的直線，并通過兩條直線將二維阻抗平面分為四個象限，如圖2所示，優(yōu)選的我們設定(n，n)點的右上方為第一象限，(n，n)點的左上方為第二象限，(n，n)點的左下方為第三象限，(n，n)點的右下方為第四象限，但是由于n>0，所以(n，n)點的第三象限僅限于原阻抗平面坐標系的坐標原點的右上方部分；

在本實施例中，通過起始點(5，5)分別做出平行于電感軸和電容軸的直線，并通過兩條直線將二維阻抗平面分為四個象限，設定點(5，5)的右上方為第一象限，點(5，5)的左上方為第二象限，點(5，5)的左下方為第三象限，點(5，5)的右下方為第四象限，(5，5)點的第三象限僅限于原阻抗平面坐標系的坐標原點的右上方部分；

步驟二、根據(jù)起始點(n，n)設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡，即使用電感為n nH電容為n pF設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡，并通過矢量網(wǎng)絡分析儀測試，如圖1所示，在矢量網(wǎng)絡分析儀中觀察史密斯圓圖，即Smith圓圖，測量出此時L型阻抗匹配網(wǎng)絡的特征阻抗值Z_(n，n)，判斷點(n，n)是否為匹配點；

當此時Z_(n，n)處于史密斯圓圖中心點時，則起始點(n，n)為匹配點，并根據(jù)匹配點設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟三；

在本實施例中，設計電感值為5nH、電容值為5pH的L型阻抗匹配網(wǎng)絡，通過矢量網(wǎng)絡分析儀測試，在矢量網(wǎng)絡分析儀中觀察Smith圓圖，測量出此時L型阻抗匹配網(wǎng)絡的特征阻抗值Z_(5，5)并未在處于Smith圓圖中心點，因此，繼續(xù)執(zhí)行步驟三；

步驟三、增加步驟二中L型阻抗匹配網(wǎng)絡中起始點(n，n)所對應的電容值和電感值直至(m，m)，即電感值和電容值分別為m nH和m pF，其中，m>n>0,同時觀察Smith圓圖中特征阻抗Z_(m，m)的變化趨勢，點(m，m)滿足以下條件：測量出點(m，m)對應的特征阻抗值Z_(m，m)，Z_(m，m)與史密斯圓圖中心點的距離小于Z_(n，n)與史密斯圓圖中心點的距離；

即Z_(m，m)比Z_(n，n)更加靠近Smith圓圖的中心點，則執(zhí)行步驟四；否則重新選取點(m，m)的值，直至Z_(m，m)與史密斯圓圖中心點的距離小于Z_(n，n)與史密斯圓圖中心點的距離后，執(zhí)行步驟四；

在本實施例中，將起始點(5，5)增加至(10，10)，同時觀察Smith圓圖中特征阻抗Z_(10，10)的變化趨勢，得到Z_(10，10)比Z_(5，5)更加靠近Smith圓圖的中心點；

步驟四、繼續(xù)增加步驟三中點(m，m)所對應的電容值和電感值，直至得出電容值和電感值對應的兩個相鄰點(m₁，m₁)、(m₂，m₂)，且點(m₁，m₁)、(m₂，m₂)滿足以下條件：與史密斯原圖中心點之間的距離小于步驟三中Z_(m，m)與史密斯原圖中心點之間的距離，且與史密斯原圖中心點之間的距離大于步驟三中Z_(m,m)與史密斯圓圖中心點的距離；其中，m₂>m₁>m>0；

此時，如圖3所示，可唯一得出匹配點位于以(m₁，m₁)為坐標原點的阻抗平面內(nèi)第三象限和以原坐標原點(0，0)的橫縱坐標軸之間的匹配區(qū)域，繼續(xù)執(zhí)行步驟五；

本實施例中，繼續(xù)增加L型阻抗匹配網(wǎng)絡電容值和電感值直至(11，11)，即電感值和電容值分別為11nH和11pF,同時觀察Smith圓圖中特征阻抗Z_{(11，11)}的變化趨勢，Z_(11，11)比Z_(10，10)遠離Smith圓圖的中心點，由于，點(11，11)之前所選的點為(10，10)，則可唯一得出匹配點位于以(10，10)為坐標原點的阻抗平面內(nèi)第三象限和以原坐標原點(0，0)的橫縱坐標軸之間的匹配區(qū)域，繼續(xù)執(zhí)行步驟五；

步驟五、縮小步驟四中匹配區(qū)域的范圍，直至最終匹配區(qū)域內(nèi)的點所對應的特征阻抗值接近史密斯原圖中心點，則最終匹配區(qū)域內(nèi)的任一點即為匹配點，并根據(jù)匹配點對應的電容值和電感值設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡。其具體通過以下方法實施：

步驟5.1、選取匹配區(qū)域的中心點(m₁/2，m₁/2)，同時將L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值修改為m₁/2nH和m₁/2pF，并通過中心點(m₁/2，m₁/2)在二維阻抗平面做出分別與電容軸、電感軸平行的直線，如圖4所示，將匹配區(qū)域分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四部分，在匹配區(qū)域內(nèi)，中心點的右上方為第一象限，中心點的左上方為第二象限，中心點的左下方為第三象限，中心點的右下方為第四象限；

在本實施例中，選取匹配區(qū)域的中心點(10/2，10/2)，即(5，5)，同時將L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值修改為5nH和5pF，并通過中心點(5，5)在二維阻抗平面做出分別與電容軸、電感軸平行的直線，將匹配區(qū)域分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四部分；

步驟5.1.1、保持中心點(m₁/2，m₁/2)的電容值不變，增大電感值，同時觀察Smith圓圖中特征阻抗的變化趨勢，當特征阻抗值接近史密斯原圖的中心點時，則匹配點位于點(m₁/2，m₁/2)的第一象限或第四象限內(nèi)，否則，匹配點位于點(m₁/2，m₁/2)的第二象限或第三象限內(nèi)；

本實施例中保持中心點(5，5)的電容值不變，增大電感值至6.2nH，同時觀察Smith圓圖中特征阻抗的變化趨勢，Z_(6.2，5)比Z_(5，5)更加接近Smith圓圖中心點，則匹配點位于點(5，5)的第一象限或第四象限內(nèi)；

步驟5.1.2、再次將L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值修改為m₁/2nH和m₁/2pF，保持電感值不變，增大電容值，同時觀察Smith圓圖中特征阻抗的變化趨勢，當特征阻抗值接近史密斯原圖中心點時，則匹配點位于點(m₁/2，m₁/2)的第一象限或第二象限內(nèi)，否則，匹配點位于點(m₁/2，m₁/2)的第三象限或第四象限內(nèi)；

在本實施例中，再次將L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值修改為5nH和5pF，保持電感值不變，增大電容值至6.8pF，同時觀察Smith圓圖中特征阻抗的變化趨勢，Z_(5，6.8)比Z_(5，5)更加接近史密斯原圖中心點，則匹配點位于點(5，5)的第一象限或第二象限內(nèi)；

步驟5.1.3、根據(jù)步驟5.1.1和步驟5.1.2的結果，可以唯一確定匹配點處于點(m₁/2，m₁/2)的哪一個象限，則該象限命名為(m₁/2，m₁/2)點的匹配象限，且該象限為匹配點所在的匹配區(qū)域；

本實施例中，根據(jù)步驟5.1.1和步驟5.1.2的結果可唯一確定，匹配點位于點(5，5)的第一象限，則該象限命名為點(5，5)的匹配象限，且該象限為匹配點所在的匹配區(qū)域；

步驟5.2、重復執(zhí)行步驟5.1，由于不斷的重復執(zhí)行步驟5.1，所以，我們能不斷細化精確定位匹配點所處的匹配區(qū)域，直至特征阻抗點足夠靠近Smith圓圖的中心點或者實際使用的電子元器件參數(shù)無法在持續(xù)下去為止，即可得出最終匹配區(qū)域，此時該區(qū)域內(nèi)任意一點均可視作匹配點，可根據(jù)實際情況選區(qū)L型匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值；

本實施例中，選區(qū)匹配區(qū)域內(nèi)的中心點(7.5，7.5)，同時將L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值修改為7.5nH和7.5pF，并通過中心點(7.5，7.5)在二維阻抗平面做出分別與電容軸、電感軸平行的直線，將匹配區(qū)域分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四部分，在匹配區(qū)域內(nèi)，中心點的右上方為第一象限，中心點的左上方為第二象限，中心點的左下方為第三象限，中心點的右下方為第四象限；

保持中心點(7.5，7.5)的電容值不變，增大電感值至9.1nH，同時觀察Smith圓圖中特征阻抗的變化趨勢，Z_{(9.1，7.5)}比Z_(7.5，7.5)更加接近史密斯原圖的中心點，則匹配點位于點(7.5，7.5)的第一象限或第四象限內(nèi)；

再次將L型阻抗匹配網(wǎng)絡中的電感值和電容值修改為7.5nH和7.5pF，保持電感值不變，增大電容值至8pF，同時觀察Smith圓圖中特征阻抗的變化趨勢，Z_(7.5，8)比Z_(7.5，7.5)特征阻抗值更加遠離史密斯原圖中心點，則匹配點位于點(5，5)的第三象限或第四象限內(nèi)；

根據(jù)之前兩個步驟的結果，可以唯一確定匹配點位于點(7.5，7.5)的第四象限，并且Z_(9.1,6.8)比點Z_(7.5，7.5)的特征阻抗值更加靠近史密斯原圖的中心點，同時，Z_(9.1,6.8)已經(jīng)非常接近Smith圓圖中心點，所以，滿足電感值為7.5nH-10nH、電容值為5pH-7.5pH的區(qū)域即為最終匹配區(qū)域；

步驟5.3、以匹配區(qū)域內(nèi)任一點所對應的電容值和電感值設計L行阻抗匹配網(wǎng)絡。

在最終區(qū)域內(nèi)的任一點即可設計出L型阻抗匹配網(wǎng)絡，本實施例中，L型匹配網(wǎng)絡中的電感值取9.1nH，電容值取6.8pF。

通過本方法使設計L型阻抗匹配網(wǎng)絡具有標準化和固定化特點，可以快速成功的設計出阻抗匹配網(wǎng)絡。