Symulacja parametrów S sieci dopasowania impedancji

Zachariah Peterson
|  Utworzono: kwiecień 5, 2020  |  Zaktualizowano: styczeń 6, 2021
Symulacja parametrów S sieci dopasowującej impedancję

Sieć dopasowania impedancji jest ważna dla transferu mocy i zapobiegania odbiciom. Zamiast patrzeć na transfer mocy, napięcia i prądy, inżynierowie RF zwykle używają parametrów S do oceny dopasowania impedancji w obwodach jako sieci dwuportowe. W szczególności, istotne wielkości dla dopasowania impedancji to zazwyczaj strata wtrąceniowa i strata zwrotna, które mogą być obliczone używając parametrów S dla dwuportowej sieci dopasowania impedancji.

Impedance matching network examination with frequency sweeps
Możesz użyć zmian częstotliwości do określenia parametrów S dla sieci dopasowującej impedancję.

Tutaj rozwinę poprzedni post i użyję zestawu narzędzi symulacji SPICE w Altium Designer do zaprojektowania prostego układu LC i zasymulowania jego zachowania. Dla skomplikowanych manipulacji, możesz łatwo eksportować dane symulacji z Altium Designer i użyć ich w dowolnym innym programie analizy. Pozwoli to na wydobycie szerokopasmowych parametrów S jako funkcji częstotliwości i łatwe przekształcenie ich na stratę wtrąceniową i stratę zwrotną.

Parametry S dla Sieci Dopasowania Impedancji

Dopasowanie impedancji można ocenić na kilka sposobów. Dla elementów obwodu umieszczonych szeregowo, impedancje są dopasowane, gdy impedancje wejściowa i obciążenia są zespolonymi sprzężeniami względem siebie. W większości praktycznych sytuacji, ma to miejsce tylko w wąskim paśmie, i rzadko uzyskuje się dopasowanie szerokopasmowe bez filtracji wyższego rzędu. Celem projektowym jest zazwyczaj zbliżenie straty wstawienia jak najbliżej do 0 dB (S21 → 1) oraz sprowadzenie straty zwrotnej jak najniżej poniżej pewnego progu (zazwyczaj poniżej -10 dB, czyli S11 → 0).

Schemat poniżej pokazuje sieć dopasowania impedancji, którą chcemy zasymulować. Tutaj celem jest określenie częstotliwości dla optymalnego dopasowania impedancji poprzez ekstrakcję parametrów S, straty wstawienia i straty zwrotnej. Tutaj źródło ustawione jest na amplitudę 1 V, a pomiary straty wstawienia i straty zwrotnej będą używać zmiatania częstotliwości.

T-network impedance matching network design
Schemat dla sieci T połączonej z obciążeniem 70 omów

Strata wstawienia i strata zwrotna

W przypadku braku sieci, moc rozpraszana przez rezystor obciążenia R2 może być łatwo obliczona z naszych pomiarów sondą. Chcemy symulować moc rozpraszana na obciążeniu w obecności sieci dopasowującej, co może być określone za pomocą strat wstawienia i S21. Potrzebujemy również mocy wprowadzanej do sieci, która może być obliczona jako prąd wejściowy przez R1 i różnicowe napięcie na obwodzie (sieć + obciążenie). Aby ocenić straty wstawienia i S21, możesz użyć następującego wzoru:

Impedance matching network insertion loss
Strata wstawienia i wzór na S21.

Straty zwrotne i S11 mogą być obliczone przez rozważenie jakichkolwiek odbić między impedancją wejściową a siecią dopasowującą + impedancją obciążenia.

Impedance matching network return loss
Strata zwrotna i wzór na S11.

Tutaj wiemy, że wartość Z0 to impedancja źródłowa na wejściu sieci (50 omów), i musimy obliczyć Znetwork, czyli impedancję wejściową sieci (innymi słowy, impedancję sieci + obciążenia). To da nam S11 i S21, które są dwoma ważnymi parametrami dla tej sieci dopasowania impedancji. Należy zauważyć, że ta sieć jest wzajemna, mimo że nie ma symetrii w układzie elementów obwodu. Zawsze mamy prostą zależność między S12 = S21, ale możemy nie mieć tego samego rodzaju równoważności dla S11 i S22. Ponieważ tak jest, możesz określić parametry S dla innych portów, przenosząc źródło na drugą stronę sieci i umieszczając obciążenie 70 omów jako impedancję źródłową.

Rozpoczęcie pracy

Aby rozpocząć, utwórz profil MixedSim i skonfiguruj przesunięcie częstotliwości. Tutaj chcemy przesunąć częstotliwość od 100 MHz do 1 GHz. Uruchom symulację, wybierając opcję z menu Symuluj, lub naciśnij F9 na klawiaturze. Moje wyniki przesunięcia AC są pokazane na poniższym wykresie. Górny wykres pokazuje moc rozpraszana na rezystorze, która będzie użyta do obliczenia straty wstawienia. Jest to obliczane poprzez po prostu wybranie przebiegu r2[p].

Dolny wykres pokazuje całkowitą impedancję sieci dopasowującej + obciążenie, która będzie użyta do obliczenia straty zwrotnej na wejściu. Musi to być obliczone poprzez wzięcie spadku napięcia na całej sieci (przebieg netl1_1), i podzielenie tego przez prąd wpływający do sieci (przebieg l1[i]).

AC frequency sweep graphs for the impedance matching network
Impedancja sieci + obciążenia i rozpraszanie mocy na rezystorze obciążenia.

Tutaj maksymalne rozpraszanie mocy przez obciążenie obserwuje się przy ~448 MHz, więc można by oczekiwać minimum w spektrum strat wtrąceniowych w tym punkcie. Aby posunąć się dalej, możesz użyć funkcji analizy przebiegów do obliczenia wyników, lub możesz wyeksportować swoje dane jako plik .CSV, aby użyć ich w zewnętrznym programie. Zdecydowałem się przenieść moje wyniki do Excela dla wygody. Aby to zrobić, przejdź do Plik → Eksportuj → Wykres i wybierz opcję „Złożony”, aby wyeksportować części rzeczywiste i urojone twoich danych. Poniższy wykres pokazuje wielkość i fazę S11 oraz S21. Te wartości można łatwo przekonwertować na straty wtrąceniowe, używając powyższych wzorów.

Impedance matching network S-parameters with magnitude and phase
Parametry S dla pokazanej powyżej sieci dopasowującej impedancję.

Tutaj impedancja jest najbliżej dopasowana przy ~445 MHz, a S11 pozostaje dość płaskie przez pasmo ~200 MHz, co jest zgodne z danymi mocy pokazanymi na wykresach powyżej. Jednakże, S11 jest nadal dość wysokie (minimum 0,452, czyli -7 dB straty zwrotu), co wskazuje na pewne pozostałe niedopasowanie. Sposób na dalsze postępy to iteracja przez różne wartości komponentów, używając przeglądów parametrów; pierwszy dławik i kondensator wyjściowy to dobre punkty startowe.

Inny sposób na spojrzenie na straty wtrąceniowe, straty zwrotne i parametry S polega na rozważeniu sieci dopasowania impedancji jako filtru z dopasowanymi źródłami i obciążeniami. Projektując powyższą sieć jako filtr, można określić impedancję lub funkcję przenoszenia, korzystając z tych samych kroków, co pokazano powyżej. Obejmuje to usunięcie rezystorów źródłowych i obciążeniowych oraz symulację sieci T samodzielnie. Można użyć tej samej procedury podczas symulowania dopasowania impedancji dla obciążenia pojemnościowego lub rezystancyjnego. W każdym przypadku, jeśli chcesz zapewnić minimalne odbicie mocy, Twoim celem jest zbadanie częstotliwości sieci dopasowania impedancji, przy której występuje dopasowanie sprzężone do obciążenia.

Przykład pokazany tutaj korzysta z funkcji symulacji przed układaniem w Altium Designer®. Korzystając z tej potężnej platformy projektowej PCB, uzyskasz dostęp do narzędzi CAD, które pomogą Ci przenieść projekty sieci dopasowania do rzeczywistego układu PCB. Będziesz miał również narzędzia potrzebne do importowania danych do nowego układu i rozpoczęcia projektowania swojego PCB.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.

About Author

About Author

Zachariah Peterson ma bogate doświadczenie techniczne w środowisku akademickim i przemysłowym. Obecnie prowadzi badania, projekty oraz usługi marketingowe dla firm z branży elektronicznej. Przed rozpoczęciem pracy w przemyśle PCB wykładał na Portland State University i prowadził badania nad teorią laserów losowych, materiałami i stabilnością. Jego doświadczenie w badaniach naukowych obejmuje tematy związane z laserami nanocząsteczkowymi, elektroniczne i optoelektroniczne urządzenia półprzewodnikowe, czujniki środowiskowe i stochastykę. Jego prace zostały opublikowane w kilkunastu recenzowanych czasopismach i materiałach konferencyjnych. Napisał ponad 2000 artykułów technicznych na temat projektowania PCB dla wielu firm. Jest członkiem IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society oraz Printed Circuit Engineering Association (PCEA). Wcześniej był członkiem z prawem głosu w Technicznym Komitecie Doradczym INCITS Quantum Computing pracującym nad technicznymi standardami elektroniki kwantowej, a obecnie jest członkiem grupy roboczej IEEE P3186 zajmującej się interfejsem reprezentującym sygnały fotoniczne przy użyciu symulatorów obwodów klasy SPICE.

Powiązane zasoby

Powiązana dokumentacja techniczna

Powrót do strony głównej
Thank you, you are now subscribed to updates.