Симуляция S-параметров сети согласования импедансов

Закарайа Петерсон
|  Создано: 5 Апреля, 2020  |  Обновлено: 6 Января, 2021
Симуляция S-параметров сети согласования импедансов

Сеть согласования импеданса важна для передачи мощности и предотвращения отражений. Вместо анализа передачи мощности, напряжений и токов, инженеры РЧ обычно рассматривают S-параметры для оценки согласования импеданса в схемах как двухпортовые сети. В частности, важные величины для согласования импеданса обычно включают потери на вставке и потери на возврате, которые могут быть рассчитаны с использованием S-параметров для двухпортовой сети согласования импеданса.

Impedance matching network examination with frequency sweeps
Вы можете использовать частотные развертки для определения S-параметров сети согласования импедансов.

Здесь я расширю предыдущий пост и использую набор инструментов моделирования SPICE в Altium Designer для проектирования простой LC-сети и симуляции ее поведения. Для сложных манипуляций вы можете легко экспортировать данные симуляции из Altium Designer и использовать их в любой другой программе анализа. Это позволит вам извлечь широкополосные S-параметры как функции частоты и легко преобразовать их в потери на вставке и потери на возврате.

S-параметры для сети согласования импеданса

Согласование импедансов может быть оценено различными способами. Для элементов цепи, размещенных последовательно, импедансы считаются согласованными, когда входной и нагрузочный импедансы являются комплексно сопряженными друг другу. В большинстве практических ситуаций это происходит только в узкой полосе пропускания, и широкополосное согласование без использования фильтрации высших порядков встречается редко. Цель проектирования, как правило, состоит в том, чтобы приблизить потери на вставке как можно ближе к 0 дБ (S21 → 1) и снизить потери на отражение как можно ниже некоторого порога (обычно ниже -10 дБ, или S11 → 0).

На схеме ниже показана сеть согласования импедансов, которую мы хотим смоделировать. Здесь цель состоит в том, чтобы определить частоту для оптимального согласования импедансов, извлекая S-параметры, потери на вставке и потери на отражение. Здесь источник установлен с амплитудой 1 В, и для определения потерь на вставке и потерь на отражение будут использоваться частотные развертки.

T-network impedance matching network design
Схема T-образной сети, подключенной к нагрузке 70 Ом

Потери на вставке и потери на отражение

В отсутствие сети мощность, рассеиваемая нагрузочным резистором R2, может быть легко рассчитана из наших измерений с помощью пробника. Мы хотим симулировать мощность, рассеиваемую на нагрузке в присутствии согласующей сети, которая может быть количественно оценена с использованием потерь на вставке и S21. Нам также необходима мощность, подаваемая в сеть, которая может быть рассчитана как входной ток через R1 и дифференциальное напряжение через цепь (сеть + нагрузка). Для оценки потерь на вставке и S21 вы можете использовать следующую формулу:

Impedance matching network insertion loss
Формула потерь вставки и S21.

Потери на возврат и S11 могут быть рассчитаны, учитывая любое отражение между входным импедансом и импедансом согласующей сети + нагрузка.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Impedance matching network return loss
Формула потерь обратного сигнала и S11.

Здесь мы знаем значение Z0 как входное сопротивление источника (50 Ом), и нам нужно вычислить Znetwork, которое является входным сопротивлением сети (другими словами, сопротивление сети + нагрузки). Это даст нам S11 и S21, которые являются двумя важными параметрами для этой сети согласования импедансов. Обратите внимание, что эта сеть взаимная, даже если в расположении элементов схемы нет симметрии. Мы всегда имеем простое соотношение между S12 = S21, но у нас может не быть такого же типа эквивалентности для S11 и S22. Поскольку это так, вы можете определить S-параметры для других портов, переместив источник на другую сторону сети и разместив нагрузку 70 Ом в качестве сопротивления источника.

Начало работы

Чтобы начать, создайте профиль MixedSim и настройте развертку по частоте. Здесь мы хотим провести развертку частоты от 100 МГц до 1 ГГц. Запустите симуляцию, выбрав соответствующий пункт в меню Simulate, или нажмите F9 на клавиатуре. Результаты моего AC-развертывания показаны на графике ниже. Верхний график показывает мощность, рассеиваемую на резисторе, которая будет использоваться для расчета потерь на вставке. Это рассчитывается путем простого выбора волновой формы r2[p].

Нижний график показывает общий импеданс согласующей сети + нагрузку, который будет использоваться для расчета потерь на обратном ходе на входе. Это должно быть рассчитано путем измерения падения напряжения на всей сети (волновая форма netl1_1) и деления этого значения на ток, втекающий в сеть (волновая форма l1[i]).

AC frequency sweep graphs for the impedance matching network
Импеданс сети + нагрузки и рассеивание мощности на резисторе нагрузки.

Здесь максимальное рассеивание мощности на нагрузке наблюдается на частоте ~448 МГц, поэтому мы ожидаем увидеть минимум в спектре потерь на вставке в этой точке. Чтобы продвинуться дальше, вы можете использовать функции анализа сигналов для расчета ваших результатов, или вы можете экспортировать ваши данные в файл .CSV для использования во внешней программе. Я решил перенести мои результаты в Excel для удобства. Для этого перейдите в Файл → Экспорт → График и выберите опцию «Сложный», чтобы экспортировать действительные и мнимые части ваших данных. Ниже приведен график, показывающий величину и фазу S11 и S21. Эти значения можно легко преобразовать в потери на вставке, используя приведенные выше формулы.

Impedance matching network S-parameters with magnitude and phase
S-параметры для показанной выше сети согласования импедансов.

Здесь согласование импеданса наиболее близко на частоте ~445 МГц, и S11 остается довольно плоским на протяжении ~200 МГц полосы пропускания, что согласуется с данными о мощности, показанными на графиках выше. Однако S11 все еще довольно высок (минимум 0.452, или -7 дБ потерь на обратном ходе), указывая на некоторое оставшееся несоответствие. Для дальнейшего продвижения следует итеративно изменять значения компонентов, используя сканирование параметров; первый индуктор и выходной конденсатор - хорошие точки для начала.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Другой способ рассмотрения потерь на вставке, потерь на возврате и S-параметров заключается в том, чтобы рассматривать сеть согласования импедансов как фильтр с согласованными источниками и нагрузками. При проектировании указанной выше сети в качестве фильтра, вы можете определить импеданс или передаточную функцию, используя те же шаги, что и выше. Это включает удаление резисторов источника и нагрузки и симуляцию T-сети самостоятельно. Ту же процедуру можно использовать при симуляции согласования импеданса для емкостной или резистивной нагрузки. В любом случае, если вы хотите обеспечить минимальное отражение мощности, ваша цель - исследовать частоту сети согласования импедансов, на которой происходит конъюгатное согласование с нагрузкой.

Пример, показанный здесь, использует возможности предварительной симуляции в Altium Designer®. Используя эту мощную платформу для проектирования печатных плат, вы получите доступ к инструментам CAD, которые помогут вам перенести ваши проекты сетей согласования в реальную компоновку печатной платы. Вы также получите инструменты, необходимые для импорта ваших данных в новую компоновку и начала проектирования вашей печатной платы.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки плат, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.

Об авторе

Об авторе

Закарайа Петерсон (Zachariah Peterson) имеет обширный технический опыт в научных кругах и промышленности. До работы в индустрии печатных плат преподавал в Портлендском государственном университете. Проводил магистерское исследование на хемосорбционных газовых датчиках, кандидатское исследование – по теории случайной лазерной генерации. Имеет опыт научных исследований в области лазеров наночастиц, электронных и оптоэлектронных полупроводниковых приборов, систем защиты окружающей среды и финансовой аналитики. Его работа была опубликована в нескольких рецензируемых журналах и материалах конференций, и он написал сотни технических статей блогов по проектированию печатных плат для множества компаний.

Связанные ресурсы

Связанная техническая документация

Вернуться на главную
Thank you, you are now subscribed to updates.
Altium Need Help?