Simulazione dei Parametri-S di una Rete di Adattamento dell'Impedenza

Una rete di adattamento dell'impedenza è importante per il trasferimento di potenza e per prevenire riflessioni. Piuttosto che concentrarsi sul trasferimento di potenza, tensioni e correnti, gli ingegneri RF di solito esaminano gli S-parametri per valutare circuiti di adattamento dell'impedenza come reti a 2 porte. In particolare, le quantità rilevanti per l'adattamento dell'impedenza sono normalmente la perdita di inserzione e la perdita di ritorno, che possono essere calcolate utilizzando gli S-parametri per una rete di adattamento dell'impedenza a 2 porte.

Qui, espanderò un post precedente e utilizzerò il set di strumenti di simulazione SPICE in Altium Designer per progettare una semplice rete LC e simulare il suo comportamento. Per manipolazioni complesse, puoi facilmente esportare i dati di simulazione da Altium Designer e usarli in qualsiasi altro programma di analisi. Questo ti permetterà di estrarre gli S-parametri a banda larga come funzioni della frequenza e di convertirli facilmente in perdita di inserzione e perdita di ritorno.

Gli S-parametri per una Rete di Adattamento dell'Impedenza

L'adattamento dell'impedenza può essere valutato in diversi modi. Per gli elementi di circuito posti in serie, le impedenze sono adattate quando le impedenze di ingresso e di carico sono coniugate complesse l'una dell'altra. Nella maggior parte delle situazioni pratiche, ciò si verifica solo all'interno di una banda stretta, e raramente si ottiene un adattamento a banda larga senza l'uso di filtrazione di ordine superiore. L'obiettivo di progettazione è tipicamente quello di portare la perdita di inserzione il più vicino possibile a 0 dB (S21 → 1), e di portare la perdita di ritorno ben al di sotto di una certa soglia (solitamente al di sotto di -10 dB, o S11 → 0).

Lo schema sottostante mostra la rete di adattamento dell'impedenza che vogliamo simulare. Qui, l'obiettivo è determinare la frequenza per un adattamento dell'impedenza ottimale estraendo i parametri S, la perdita di inserzione e la perdita di ritorno. Qui, la sorgente è impostata con un'amplitude di 1 V, e verranno utilizzate variazioni di frequenza per determinare la perdita di inserzione e la perdita di ritorno.

Perdita di Inserzione e Perdita di Ritorno

In assenza della rete, la potenza dissipata dal resistore di carico R2 può essere facilmente calcolata dalle nostre misurazioni con la sonda. Vogliamo simulare la potenza dissipata attraverso il carico in presenza della rete di adattamento, che può essere quantificata utilizzando la perdita di inserzione e S21. Abbiamo anche bisogno della potenza in ingresso nella rete, che può essere calcolata come la corrente di ingresso attraverso R1 e la tensione differenziale attraverso il circuito (rete + carico). Per valutare la perdita di inserzione e S21, puoi utilizzare la seguente formula:

La perdita di ritorno e S11 possono essere calcolate considerando qualsiasi riflessione tra l'impedenza di ingresso e l'impedenza della rete di adattamento + carico.

Qui, sappiamo che il valore di Z0 è l'impedenza di sorgente all'ingresso della rete (50 Ohm), e dobbiamo calcolare Znetwork, che è l'impedenza di ingresso della rete (in altre parole, l'impedenza della rete + carico). Questo ci fornirà S11 e S21, che sono due dei parametri importanti per questa rete di adattamento dell'impedenza. Nota che questa rete è reciproca anche se non c'è simmetria nell'arrangiamento degli elementi del circuito. Abbiamo sempre la semplice relazione tra S12 = S21, ma potremmo non avere lo stesso tipo di equivalenza per S11 e S22. Poiché questo è il caso, puoi determinare i parametri S per altri porti spostando la sorgente dall'altra parte della rete e posizionando il carico da 70 Ohm come impedenza di sorgente.

Iniziare

Per iniziare, crea un profilo MixedSim e imposta una variazione di frequenza. Qui, vogliamo variare la frequenza da 100 MHz a 1 GHz. Avvia la tua simulazione scegliendo l'opzione dal menu Simula, o premi F9 sulla tua tastiera. I risultati della mia variazione in corrente alternata sono mostrati nel grafico sottostante. Il grafico superiore mostra la potenza dissipata attraverso la resistenza, che verrà utilizzata per calcolare la perdita di inserzione. Questo viene calcolato semplicemente selezionando l'onda r2[p].

Il grafico inferiore mostra l'impedenza totale della rete di adattamento + carico, che verrà utilizzata per calcolare la perdita di ritorno all'ingresso. Questo deve essere calcolato prendendo la caduta di tensione attraverso l'intera rete (onda netl1_1), e dividendo questo per la corrente che fluisce nella rete (onda l1[i]).

Qui, la massima dissipazione di potenza attraverso il carico si osserva a ~448 MHz, quindi ci aspetteremmo di vedere un minimo nello spettro della perdita di inserzione in quel punto. Per andare oltre, puoi utilizzare le funzionalità di analisi dell'onda per calcolare i tuoi risultati, oppure puoi esportare i tuoi dati come file .CSV per l'uso in un programma esterno. Ho deciso di portare i miei risultati in Excel per comodità. Per fare ciò, vai su File → Esporta → Grafico, e seleziona l'opzione "Complesso" per esportare le parti reale e immaginaria dei tuoi dati. Il grafico qui sotto mostra la magnitudine e la fase di S11 e S21. Questi valori possono essere facilmente convertiti in perdita di inserzione utilizzando le formule sopra.

Qui, l'impedenza è più strettamente abbinata a ~445 MHz e S11 rimane piuttosto piatto su una larghezza di banda di ~200 MHz, il che è coerente con i dati di potenza mostrati nei grafici sopra. Tuttavia, S11 è ancora piuttosto alto (minimo di 0,452, o -7 dB di perdita di ritorno), indicando una certa discrepanza residua. Il modo per procedere ulteriormente è iterare attraverso diversi valori dei componenti utilizzando le variazioni dei parametri; il primo induttore e il condensatore di uscita sono buoni punti di partenza.

Un altro modo di considerare la perdita di inserzione, la perdita di ritorno e gli S-parametri è pensare alla rete di adattamento dell'impedenza come a un filtro con sorgenti e carichi abbinati. Quando si progetta la rete sopra menzionata come un filtro, è possibile determinare l'impedenza o la funzione di trasferimento utilizzando gli stessi passaggi mostrati sopra. Questo comporta la rimozione delle resistenze di sorgente e di carico e la simulazione della rete T da sola. È possibile utilizzare la stessa procedura quando si simula l'adattamento dell'impedenza per un carico capacitivo o resistivo. In ogni caso, se si desidera garantire una minima riflessione di potenza, l'obiettivo è esaminare la frequenza della rete di adattamento dell'impedenza in cui si verifica l'adattamento coniugato al carico.

L'esempio mostrato qui sfrutta le funzionalità di simulazione pre-layout in Altium Designer®. Quando si utilizza questa potente piattaforma di progettazione PCB, si avrà accesso a strumenti CAD che aiutano a prendere i propri progetti di rete di adattamento e a posizionarli in un vero layout PCB. Si avranno anche gli strumenti necessari per importare i propri dati in un nuovo layout e iniziare a progettare il proprio PCB.

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