基于ADS的UHF频段RFID低噪声放大器设计.docx

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1、摘 要RFID(radio frequency identification)即射频识别技术属于自动识别技术的一种，在一般的日常生活中被俗称为“电子标签”，其主要通过无线射频方式进行空间耦合，并且以非接触的双向数据通信方式对既定目标识别并加以获取相关数据。射频识别技术因其技术的优越性被广泛应用于自动化工业，交通运输控制管理，高速路自动收费系统（ETC）和社会保障等领域。不管是在军工业还是民用工业，带宽都是一个很稀缺的源。而射频频段的划分又有着严格的国际标准，按照工作频率进行分类又可分为低频系统（30300KHZ），中高频系统（330MHZ），超高频和微波系统（300Mhz），如果按照IEEE(

2、国际电子与电气工程师联盟)的划分，超高频（UHF）多指3003000MHZ的无线电频段1.而在日常应用过程中，433.9Mhz862928Mhz，2.45Ghz和5.8Ghz1 是超高频和微波系统的主要工作频段。当然如果探究电路的结构话，从这个角度出发任何无线通信系统又大体都可以划分为射频部分和基带部分，而在射频部分又包括了射频模拟的发送电路，接受电路和天线三部分，以及数字的发送电路和接受部分。对于经过天线从电信号转换过来的电磁波信号而言，因为其在空间传播过程中经过折射散射，同时被中途障碍物能量吸收等原因，其到达接收机前端的天线上已经属于小信号范畴，为了便于接收机对于接收信号进行后续处理，需要

3、在接收机前端设置一个放大器装置，当放大器搁置在接收机前端时，其噪声系数和增益等各种参量对射频识别接收系统影响很大。本文通过ADS仿真实验，立足于整个RFID接受系统接收机前段低噪声放大器（LNA）的研究，希望对RFID低噪声放大器由各种参量所决定的低噪放性能有一个较好的综合性方法。本文主要首先对于目前国内外UHF频段RFID低噪声放大器的国内外研究现状进行了详细的调研和探讨，初步确定了我们在进行低噪声放大器中的量化指标，然后对于RFID系统进行了较为详细的介绍，同时对于在低噪声放大器设计过程中需要应用的理论深入的研究和探讨，继而对于我们确定的指标进行电路设计与仿真，最后实验得出结果并讨论仿真成

4、果。关键字：RFID；低噪声放大器；UHF频段；ADS；射频理论第V页AbstractRFID (radio frequency identification)that is always been called radio frequency identification which belongs to one of the technology of automatic identification .It familiars to us if we mentioned the tag- e- label in general everyday life. Its well common

5、ly known as whose main method to get the target by spatial matching within radio frequency of that way， in addition， the air is the medium，or some kind to say the spatial by witch RFID get the data in a “return-return” method， that is one of the type data communication. RFID technology because of it

6、s technical superiority and it is widely used in industrial automation， transportation control management， automatic highway toll collection system (ETC) and social security and other fields. As we all known， no matter in the military or civilian industrial industry or fields， the bandwidth is very

7、scarce and limited resource. The bandwidth utility division also own a strict radio frequency boundaries decided by international standards ， according to the operating frequency of the classification system can be divided into low-frequency (30 300Khz)， high frequency system (3 30Mhz)， UHF and micr

8、owave systems ( 300Mhz)， if in accordance with IEEE ( International electrical and electronics Engineers Union ) division ， UHF means 300 3000Mhz radio frequency bands 1 ， while in the course of everyday applications ， 433.9Mhz862 928Mhz， 2.45Ghz and 5.8Ghz 2 is the main working frequency of the UHF

9、 and microwave systems. Of course， if we want to point out and explore the structure of the circuit， then， from this perspective， any wireless communication system can generally be divided into the RF section and the baseband section， while in the RF section also includes a radio frequency analog tr

10、ansmission circuit， receive circuitry and the antenna of that three parts， as well as digital transmission circuit and a receiving portion. After converting the electrical signal coming from the antenna electromagnetic signals， because of its propagation through space refraction scattering in flying

11、 process ， while being energy-absorbing barrier midway and other reasons， it reaches the front of the receiver antenna already belongs to the small-signal parts ， in order to operate the receiving signals to facilitate subsequent processing ， then need to set up a great front-end amplifier in the re

12、ceiver front device-low noise amplifier ， the stability of the pre-amplifier ， noise figure， gain mismatch effect greatly on RFID and RF receiver systems. In this paper，we use ADS2008U2 to simulate the sections we want to get， and based on the acceptance of the entire RFID system receiver front-end

13、low-noise amplifier (LNA) research ， and strive to improve the overall performance of the low noise amplifier in the RFID system. This article first research status at home and abroad for UHF band RFID LNA is currently carried out a detailed investigation and discussion， we initially identified duri

14、ng the low noise amplifier quantitative indicators， and then the RFID system for a more detailed description of while the low-noise amplifier design theory in the process of application needs in-depth study and discussion， and then we identify strict indicators for circuit design and simulation， and

15、 talk about the final outcome of the simulation experimental results.Key words: RFID; LNA; UHF frequency; ADS; RF theory目 录第1章 绪论11.1 论文的背景及其目的和意义11.2 低噪声放大器国内外发展现状11.3 研究的基本思路及其主要方法4第2章 ADS基本介绍以及射频电路理论52.1 ADS简介52.2射频电路基本结构52.3 RFID系统中低噪声放大器6第3章 基本理论83.1 传输线的类型与微带线理论83.1.1 微带线的有效介电常数83.1.2 微带线的特性阻抗

16、93.1.3 微带线的损耗与衰减93.1.4 传输线的等效电路表示93.1.5 传输线方程及其解103.1.6 传输线的基本特性参数113.2 Smith原图123.2.1 Smith圆图的构成133.2.2 Smith圆图进一步探讨143.3 射频网络153.4 匹配电路理论173.4.1 阻抗匹配概论173.4.2 匹配网络的选取原则183.4.3 匹配网络的设计及分类19第4章 噪声以及小信号放大器理论214.1 噪声来源概述214.2 射频电路中元器件噪声224.2.1 电阻的白噪声量化表示224.2.2 场效应管噪声概论234.2.3 噪声系数23第5章 低噪声放大器设计255.1低

17、噪声放大器的设计指标255.1.1低噪声放大器在UHF射频识别系统中的作用255.1.2 LNA主要技术指标255.2 低噪声放大器（LNA）设计几个基本原则275.2.1 放大器放大管的选择标准275.2.2 I/O匹配电路设计标准285.2.3 电路设计注意285.3 低噪声放大器设计285.3.1 设计目标285.3.2 设计步骤305.3.3 低噪声放大器具体步骤31第6章 仿真优化与总结466.1 电路优化与仿真466.2 一定带宽环境下的电路仿真与优化48论文结论51致 谢52参考文献53第1章 绪论1.1 论文的背景及其目的和意义RFID（Radio Frequency Iden

18、tification）是借助于无线信道并实现双向通信的一种识别技术。近年来，随着射频识别系统的在国民生产生活中的应用越来越广泛，而又由于在UHF频段的RFID 系统有着读取距离较远，阅读速度比较快等优点，是目前国内外RFID 产品发展的热点。对于UHF频段应用最常见的应用是读卡器，其在ETC、停车场停车便捷化管理等领域应用广泛。而又由于应用领域各不相同 ，读卡器根据结构划分一般可分为一体机以及分体机。对一体机而言 ，当卡中的磁圈距离天线比较近时 ，天线来接收卡信号的装置能量足够大以用来驱动解调器 ，读卡器可以读卡。当卡中的磁圈距离天线比较远时，天线可识别信号会很微弱 ，从而导致没有足够的能量以

19、来驱动解调器 ，因此读卡器不能读卡。但如果我们可以在读卡器前端添加一个低噪声放大器 ，当出现上述第二种情况时即-卡距离较远时，信号会被放大，也就是说会达到一定程度的可以驱动读卡器的阈值时 ，则可以驱动解调器 ，此时的读卡器又能正常无误的读卡了。所以说，不管上述的一体机还是分体机，在前端添加低噪声放大器以后 ，使得读卡器的读卡距离大大的改善。读从这个角度看，读卡距离的长短主要时取决于低噪声放大器的性能，故而综合性能优良的低噪放能在很大程度上提高系统接受性能。1.2 低噪声放大器国内外发展现状 目前来说在国内，射频识别处于一个萌芽和快速发展的阶段，但主要是应用的是基于低频的物流链供应系统，像二代身

20、份证以及门禁管理等领域。基于高频像UHF频段和微波频段的射频识别技术的应用还较少。但在国外，RFID技术在二十世纪五十年代主要应用于美国军方，但直到过了五十多年才开放并也才在流通环节得到重视。其主要原因在于应用技术环境的不成熟的以及没有统一的技术标准。目前关于射频识别技术的软件以及硬件技术的应用环境慢慢规范化，为流程化或者称为大规模的生产技术的实现奠定了技术基础，所以国内外高科技领航公司均大力气发展该技术，使得其应用前景备受关注。射频识别技术作为一种具有强大生命力的自动识别技术，必将具有广阔的应用市场。射频识别技术作为高科技领域的一项新兴技术会带动下一步的经济增长点。但是对于目前来说接口，标准

21、等不统一以及频段各国均划分不同等问题，大规模的应用还需要等待。目前国内外对于RFID频段划分以及标准制定各不相同。日本采用的频段为2.45GHz以及13.56MHz，其中美国和欧洲的EPC标准应用的主要是UHF频段，而专注于840-960MHzo ISO/IEC在各个频段的RFID都颁布了标准2。ISO/IEC， Jaclyn/SC17分别是识别卡与身份识别分技术委员会，他们已经颁布的标准主要有ISO/IEC14443系列，值得一提的是我国的二代身份证就是采用的这个标准。包括现在的国际自动识别制造商协会(AMI)和南非、澳大利亚、瑞士等国家的关于RFID标准制定也进行的如火如荼。超高频 (UH

22、F ):工作频率一般为300-3000MHz，其典型的工作频率为:433.92MHz ， 862 MHZ- 928MHz 。其中不同的国家和地区对频率范围的划分也不尽相同，中国大陆以及香港台湾等地将UHF频段划分为860MHZ-940MHZ.而国内外超高频RFID系统前端低噪声放大器研究水平也是参差不齐。目前由Scott Chiud等人设计的一种单芯片超高频射频识别读写器9主要是基于0.18um CMOS工艺，通过在所设计的低噪放电路输入端采用新型的电路结构以此降低了噪声，而在输出端采用旁路结构提高线性度，整个前端的低噪声放大器性能显著提高，而其工作在860MHz-960MHz范围内，也就是R

23、FID系统工作频段，其增益高达21dB，噪声系数为0.46，IIP3可达-2dBm.这也是目前比较先进的低噪声放大器制作水准。 表11 国外UHF RFID低噪声放大器研究进展101212131415Technology (nm)1302503501803500.25180S11 (dB)1211.810291418N/AS21 (dB)127.217.512.5171215S12 (dB)3427.4N/A6022N/AN/ANF (dB)2.21.721.73.41.352.9IIP3 (dB)9.51.8645.14N/AP1dB (dB)15.19.3N/A9231515Supply

24、voltage (V)0.72.52.71.82.31.251.8f0 (MHz)866900900915900900900同时通过浏览最新的学术成果论文显示目前对于UHF频段RFID低噪声放大器设计指标主要是借助于CMOS管进行低噪声放大器设计，同时各个研究学者对于低噪声放大器研究水平也各有千秋，表1-1列出了目前比较好的研究低噪声放大器性能指标的研究成果。上面图表具体信息可以参见参考文献中论文引用。我们也可以从上表看出来基本上增益在给定的UHF频点都是大于15Db，噪声系数基本上小于3，而驻波比基本上小于2. 在国内关于RFID低噪声放大器应用环境不是很成熟，同时设计标准不统一。国内对超高

25、频RFID读写器射频前端电路的设计即低噪声放大器的设计滞后于国外，但随着工业化发展水平的提高，发展步伐逐步跟上国外先进水平，其中由中科院微电子研究所提出了2.4GHz CMOS射频前端电路设计3，设计并实现了一个工作在2.4 GHz的全集成CMOS射频前端低噪声，其中包括可实现单端输入到差分输出变换的低噪声放大器和Gilbert有源双平衡混频器。电路增益高达22dB，1dB压缩点为-27dBm，但是线性度性能还需进一步提高;由杭州电子科技大学通信工程学院提出了一种UHF RFID读写器射频前端电路设计，电路设计基于0.18um CMOS工艺，并采用EDA工具对电路进行了性能分析。提出了符合 E

26、PC Class-1，Generation-2标准的UHF RFID读写器射频前端的电路设计方案，着重设计了射频前端中频滤波模块和低噪声放大模块的电路。国内各大学和高校对于超高频射频识别系统前端低噪声放大器设计以华中师范大学微电子电路与系统研究提出了一种基于0.25um标准CMOS工艺，其工艺水平可以应用于进行低噪声放大器，其所设计的低噪声放大器各项指标和性能在国内高校处于领先水平。企业方面，国际著名噪声放大器制造和供应商AVAGO公司所生产的MGA-36174针对于超高频射频识别系统的低噪声放大器在900MHZ频点增益高达22.4dB，噪声系数0.46，线性度和带宽均为优良。1.3 研究的基

27、本思路及其主要方法本文主要应用ADS2008仿真。首先进行了直流仿真，构建电路偏置电路并进行那个了偏置电路仿真，同时将放大晶体管与直流电路结合起来过程中增加了共轭圈以防止互相调制使得信号不稳定，同时增加了反馈电感等器件防止了小频率震荡，继而借助于SMITH圆图对输入输出电路进行了匹配网络设计， 同时通过不断的借助于ADS tuning控件对整个电路的增益，输入输出驻波比，反射系数等进行了综合性的调整，最后应用XDB控件计算线性度，同时在考虑带宽的基础上对电路进行了优化，所得实验结果符合RFID系统低噪声放大器设计标准。 第54页第2章 ADS基本介绍以及射频电路理论2.1 ADS简介ADS软件

28、是由美国安捷伦公司开发，因为该软件开放与兼容能力在同类软件中比较突出，是现今射频和微波电路设计领域的首选工业级软件。目前国内科研院所，大型IT公司和高校都推广使用该软件，该软件可以支持从射频电路到射频系统的设计与仿真。ADS软件的仿真功能非常全面，可以提供直流仿真、瞬态仿真以及预算仿真和电磁仿真等，这些仿真可以进行线性和非线性仿真、电路和电磁仿真、频域和时域仿真、射频系统仿真等。而在线性分析时，软件首先计算电路中每个元器件的线性参数，像S参数、Z参数、Y参数、反射系数、稳定系数、增益和噪声系数等，然后对整个电路进行分析和仿真。本文主要集中于线性条件下对于RFID低噪声放大器的设计与仿真。在射频

29、频段有许多在低频电路中从未出现过的许多独特性质，这就要求我们可以建立新的射频电路理论体系。只有明白了低频电路和高频电路之间的区别和联系，才能帮助我们改进电路设计，满足射频领域发展的要求。本部分主要阐述射频电路基本架构，在此基础上延伸出RFID系统基本组成结构，继而分析传输线理论、smith原图及其理论意义以及射频网络的基本概念和主要特性，这些理论对于设计低噪声放大器都是不可缺少的。2.2 射频电路基本结构尽管射频电路具体的形式是多种多样的，其组成和复杂度也是各有千秋，但系统的基本结构却可以简单的划分为发射机和收发机两部分。如图2-1所示。图2-1射频电路系统最基本结构如图2.1所示，无线电传播

30、的信道有空气、真空、海水以及地表等媒介。发射机的作用是把发射端用户所要发送的信号通过输入变换器变化为电信号，例如我们常见的语音信号，视频信号以及各种传感参数信号等，都要变为电压或者电流，这样的信号我们称之为基带信号。接下来为了使得信号在信道中传输需要将基带信号通过发射变换器进行转化变为能在信道中传输的频带信号，最后发射机将频带信号从天线发射到信道中。而接收机和发射机的顺序恰恰相反。可以看出至于信道的天线从无线电感应出频带信号，再通过接受变换器解调使得频带信号变化为基带信号，最终经过输出变换器还原本真信号，然后通过像扬声器、显示器之类的接受装置送到客户端。2.3 RFID系统中低噪声放大器将图2

31、.1射频电路系统最基本结构中的接收机模块进一步细化和研究，可以发现低噪声放大器在整个接收模块的最前端，如图2-2所示. 图2-2 RFID系统接收机模块基本结构从上图可以发现，放大器位于接受系统最前端。从发射机发射的天线信号经过在信道中传输，由于散射和吸收等各种各样的原因使其到达接收机前端的天线上已经属于小信号范畴，为了便于接收机对于接收信号进行后续处理，需要在接收机前端设置一个放大器装置，这样以便于后级电路可以对信号进行解调和检波作用。所以低噪声放大器的设计的好坏直接决定整个接收机性能的优良。通过上面的谈论我们知道了低噪声放大器在RFID系统中的具体位置以及主要作用，接下来为了更加形象的认识

32、在RFID系统中低噪声放大器的基本特征和结构，我们借助于美国公立图书馆的Wiley数据库10中对于RFID中的低噪声放大器的彩色绘图进一步认识我们将要讨论的低噪声放大器。如下图2-3所示。图2-3 RFID LNA微型彩图上面的电路结构主要由偏置电路、晶体管等结构构成，下文我们即将对此详细讨论。在进行电路设计以前先介绍基本理论。包括传输线理论、小信号与噪声理论、匹配网络理论等。 第3章 基本理论传输线理论是分布式参数电路理论，其很好的联系了电磁场理论和基本电路理论。在较高频段时，传输线上电压与电流（或者说电场和磁场）随着空间变化，不像直流或者低频情况下电流电压呈现严格的线性关系。所以传输线理论

33、能很好的量化表示传输线上电压和电流分布，以及阻抗变化规律。需要注意的是由于基尔霍夫定律适用于直流和低频电路，其在射频段不适用。3.1.传输线的类型与微带线理论传输线有TEM传输线和TE、TM传输线，以TEM传输线为例，常见的传输线有同轴线、带状线、平行双导线和微带线（micro strip），我们本实验主要应用微带线进行阻抗匹配，故对于微带线理论介绍如下，而其他传输线类型了解即可。3.1.1 微带线的有效介电常数在射频电路中微带线（micro strip）的应用比较广泛。如下图所示，微带线的物理结构为平面型，并应用蚀刻电路在PCB（印制电路版）上制作，并且很容易外接固体射频器件然后整合为射频有

34、源电路，完整的电路很容易被制作出来，这样的一种结构划分可以实现集成固态化以及小型化同时并举3。微带线图3-1所示。图3-1微带线微带线道题的上方为空气而下方为介质，我们认为等效介质全部填充了微带线，其相对介电常数为，而这种等效的微带线和真实的微带线据有相同的相速度和特性阻抗。对于微带线相对介电常数的计算可以表述为（3-1）3.1.2 微带线的特性阻抗微带线特性阻抗的近似表达式为（3-2）可以通过求出微带线的特性阻抗以及介电常数，当然也可以反过来求出.3.1.3 微带线的损耗与衰减 微带线的损耗的构成来源于三部分：导体损耗、介质损耗、辐射损耗，微带线的损耗一般可以用衰减常数来表示，如果只计算由导

35、体损耗和介质损耗构成的损耗，则 （3-3）其中是介质损耗，为导体损耗。微带线损耗是由介质漏电引起，介质损耗具体表达式为 （3-4）其中为损耗角正切值。微带线导体损耗为，其中，为导体电导率。3.1.4 传输线的等效电路表示与集总参数电路不同的是，传输线理论认为分布电阻，分布 电容，分布电感和分布电导位于传输线所有可能位置，即分布参数理论。当上升到射频段时（300khz-30Ghz），由于趋肤效应使得导线表面电流增大而趋于中部的电阻变大，故而电流，电阻，电导以及电感随着空间点的不同而不同。随着频率的增高（一般指到达射频段），分布参数所引起的阻抗效应增大并且不能再忽略，所以分布参数是高频下的必然结果

36、。传输线等效电路如3-2所示，其表征了一段微分长度的传输线等效电路。 图3-2 传输线微分等效电路3.1.5 传输线方程及其解传输线方程 （3-5） （3-6）其中 式（3-5）为均匀传输线波动方程。称为传输线上波的传播常数，一般情况下为复数， 实数称为衰减常数，而虚数则称为相移常数。式（3-5）的解为（3-7）式中（3-8）对于无耗传输线，有 （3-9）（3-10）式（3-10）是均匀无耗传输线上的电压和电流分布。3.1.6 传输线的基本特性参数表征传输线属性的参数有反射系数、驻波比、特性阻抗等，下面分别对这三种参数作介绍。3.1.6.1 反射系数根据传输线的传播特点可知，其上面的波主要为入

37、射波和反射波的叠加。这种物理现象决定了反射波的传递量多少对于工作状态有比较大的影响。由于传输线上的波一般为入射波与反射波的叠加，反射系数是指传输线上某点的反射电压与入射电压之比，也等于传输线上反射电流与入射电流之比的负值，一般用表示，反射系数随传输线位置不同而不同。反射系数表达式为（3-11）其中分别为处的入射电压和反射电压，分别为处的入射电压和反射电流。当然，反射系数还可以表达为复数形式 （3-12）其中为终端反射系数。通过分析表达式可以发现有以下几点结论。(1) 反射系数在不同的位置其值不一样。(2) 反射系数可以表达为复数形式，说明在入射波和反射波之间存在相位之差。(3) 在理想的无损耗

38、状态下，反射系数的模值固定。3.1.6.2 特性阻抗特性阻抗为入射线上入射电压与入射电流比值，一般用表示，对于我们所要研究的射频传输线，特性阻抗近似为 (3-13)其中为等效电感，为等效电容。3.1.6.3 驻波系数（VSWR）电磁波从A组件传导到B组件的过程中，由于阻抗特性差异比较大，有一部分电磁波能量反射，我们称此现象为阻抗不匹配。驻波系数是Voltage Standing Wave Ratio的英文缩写。定义传输线上的电压最大点与电压最小点电压振幅之比可以称为电压驻波比，电压驻波比的倒数为行波系数。 (3-14)通过上述表达式我们可以看出以下结论.(1) 当反射系数，即行波状态时，驻波系

39、数.(2) 当，即驻波状态，驻波系数.(3) 当时，即处于行驻波状态，驻波比为.一般来说我们都是用分贝（dB）来度量VSWR，而VSWR又可转换成射频参数S参数里的S11，这两者是不同形式的相同物理表述。3.2 Smith原图上述理论为计算放大器设计提供了很好的理论依据，但是计算过程却过于繁琐。1939年贝尔实验室的著名科学家P.SMITH发明了Smith圆图，正是借助于此圆图为我们很多的电路设计提供了一种最有效、最常用的图形。Smith圆图形象的表述了反射系数与阻抗或者导纳之间的相互转换关系，与此同时大大简化了传输线中的集总参数分布问题。 此外，当由于传输线长度的改变或者加入电阻或者电感等新

40、元件，Smith圆图能即刻反映出电路性能变化。同时如果计算过程过于复杂和繁琐，Smith圆图越发显得实用。3.2.1 Smith圆图的构成Smith圆图是由函数 (3-15)所描述的在复平面的轨迹.将分离为实部(U)和虚部(V)，便可得到 (3-16)(3-17)其中，将上面两个式子组成的两组圆重叠在一起便构成了一张完整的Smith圆图。将上面两个式子消掉则会得到等圆。圆的方程解为(3-18)将上面的两个式子中消掉便可以得到等圆。圆的方程解为 (3-19)如图3-3所反映了这两个方程的Smith圆图。图3-3 SMITH原图从上图可以观察出来，所有等圆的圆心都位于实轴上，且圆的半径随的增大而缩

41、小。所有等圆的圆心都位于平行于虚轴并向右平移一个单位的直线上，而圆的半径随增大而缩小。Smith圆图实质上为无源电路下的不同归一化电阻和电抗值所对应的的轨迹，标准的Smith圆图形化的反映了阻抗与反射系数之间的转换关系。Smith圆图上每一点处的归一化阻抗与反射系数之间是一一对应的关系。所以在使用Smith圆图的过程中须注意以下对应关系: (3-20)当然Smith圆图也有归一化导纳对应关系4，这里就不再赘述。 3.2.2 Smith圆图进一步探讨理解Smith圆图的关键在于要知道它是反射系数在极坐标下的轨迹：Smith圆图的真正作用在于提供了反射系数与输入归一化阻抗（或导纳）之间一一对应的关

42、系。Smith圆图的负半轴一般表征向负载移动，而正半轴表征向信源移动。当沿着无损耗的传输线向负载方向移动距离时，所对应的反射系数有因子的变化，反映到Smith圆图中则为沿逆时针方向旋转弧度。而当沿有损耗的传输线向负载或者信源移动时，则形成的运动轨迹为一条摆线，下图反映了Smith圆图运动轨迹的一个实例。这种摆线轨迹常常在进行阻抗匹配时会看到。图 3.4 SMITH原图的摆线解释3.3 射频网络在工程实际过程中，电路内部的很多特性我们都是无法很细微的测量和观察出来的，这就要求我们可以以宏观的视角来观察和认识我们所面临的电路问题，端口网络的思想就是在这一哲学认知上所得出的工程学思想。经常我们看到的

43、端口网络有二端口以及二端口以上的网络，其中的而端口网络是经常被应用于工程实际运用中，所以我们的主要思维方式主要是针对于而端口网络。二端口网络往往被定义为一个端口是输出或者称之为激励端，另一个端口是输出端或者被称之为响应端。这就像一个“黑匣子”一样，一个端口是输入信号，另外一个端口是输出信号，而中间的一大部分我们认为他们是可以被认识的。具体的内部情况我们没有必要去详细的了解和掌握，只需要应用工程学思想的很多参量就可以很好的描述我们所要度量和描述的问题。 对于本论文所要研究的是射频段，更详细一点的划分是UHF频段，即大于300Mhz的频率性问题，这已经属于高频的研究范畴，所以对于二端口网络我们暂且

44、先不讨论低频参量的问题，因为这对于我们所要研究的问题没有太大的帮助与指导意义，如果想参考低频参量的研究成果，可以参考5，我们主要研究高频参量的问题。对于高频参量已经不能像低频参量一样去描述，因为我们已经知道低频参量主要是针对于直流或者频率接近于0HZ的频率而言，其不一样的频率会导致不一样的研究方法，也会导致不一样的研究结果，这就呼唤我们不能像研究低频参量一样去研究高频参量。 我们知道，信号的传递是靠波动传输的。在一个端口网络中，信号是一种波，那么势必会产生很多波的特性。像信号在传递过程中一定会产生波的反射现象，以及产生类似驻波等物理现象，对于高频参量的研究我们引入S参量和T参量，其中S参量称之

45、为散射（scatter）参量，我们主要应用ADS软件对S参量-散射参量进行研究，T参量就不再赘述。 高频参量S主要是用来描述射频网络的二端口属性。从微波电路的角度出发，因为电磁场方程，以及微波网络元器件都是线性的，所以说散射波的幅值当与入射波的幅值相互比对时其也是一种线性关系。而描述这种线性状态关系的矩阵我们可以称之为“散射矩阵”，或者也可以称之为S矩阵。 由于波的叠加特性，像低频网络中Z参量、Y参量已经不能描述射频电路特性。想表示在一个输出输入端口拥有相同特性阻抗的二端口网络，可以对于端口网络的入射电压和反射电压着手思考。定义入射端口的入射电压为，入射端口的反射电压为，出射端口的入射电压为，

46、出射端口的反射电压为.可以定义S参量来着实反映入射电压和反射电压之间的线性关系，如下 (3-21)通过矩阵形式表述为(3-22)其中散射参量(scatter)应用矩阵形式可以表述为(3-23)这个S参量表述其中各个值意义如下 当输出端口接匹配负载时候输入端的电压反射系数 当输出端口接匹配负载时候正向电压传输系数 当输入端口接匹配负载时候的反向电压传输系数当输入端口接匹配负载时候输出端口的电压反射系数定义S参数一个重要的意义就是避免了应用低频网络参数理论，开辟和建立了新的应用场合和理论依据。只有在端口进行了负载匹配的情况下，才能应用S参数理论。图3-5 二端口网络的信号流图在ADS仿真设计的过程

47、中，上图3-5中，通常是以dB的形式出现在仿真电路中，同时为了降低反射对于设备或者信源的损伤，所以要有很好的匹配负载以及很好的匹配网络，反映到ADS软件中就是尽量要小，不能过大，否则其隐含的结果就是匹配网络设计的不合理，需要重新设计匹配网络。为了更形象的认识，可以参见图个二端口网络的信号流程图5.3.4 匹配电路理论3.4.1 阻抗匹配概论在进行不管是放大器的设计还是振荡器的设置过程中，阻抗匹配是一个非常有意义的概念。这种设计措施主要是通过耦合器或者是耦合网络连接两个电路，一般我们都是在信源和负载之间进行匹配电路设计，以期达到两个电路之间功率传输最大的要求。正是因为在一个负载阻抗和传输线阻抗不等的有源电路之中，因为有波的能量反射现象，正因为这个原因才进行阻抗匹配的概念。而阻抗匹配的目的只有两个：（1）可以获得从信源到负载的