摘 要 为了实现射频电路阻抗匹配功率传输最大化，解决传统阻抗匹配网络设计复杂，成本较高等问题，需要设计一个合理的阻抗匹配网络。基于MATLAB仿真平台，对比传统的解析方法及史密斯圆图的图解方法，本课题选用后者进行仿真设计，并验证多种阻抗匹配网络。根据MATLAB仿真实验，得出阻抗匹配网络结构、精确的电量参数数据、最优化选择数据，实验数据具有可靠性高、直观性强等特点。根据上述结果对比分析，得出一个较为优化的设计方案，即二级L型阻抗匹配网络结构，为后续阻抗匹配网络研究及设计提供一定的参考。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 课题相关背景介绍 1
1.2 课题研究内容 2
第二章 阻抗匹配原理 3
2.1 史密斯圆图基本原理 3
2.1.1 反射系数与图解表示法 3
2.1.2 导纳变换及阻抗导纳史密斯圆图 6
2.1.3 并联电路和串联电路 8
2.2 匹配网络设计方法 10
2.2.1 采用分立元件的匹配网络 10
2.2.2 匹配禁区、频率响应和品质因数 12
第三章 阻抗匹配仿真实现 18
3.1 史密斯圆图的Matlab实现 18
3.2 匹配网络设计的实现 21
3.3 仿真界面及使用方法 26
第四章 匹配电路设计的改进 30
4.1 匹配禁区的判别 30
4.2 T型网络与π型网络 30
4.2.1 T型网络设计 31
4.2.2 π型网络设计 32
第五章 总结 34
5.1 总结与展望 34
5.2 致谢 35
参考文献 36
绪论
1.1 课题相关背景介绍
由于对射频及微波产品的需求不断提升，高频电路设计长期以来一直受到业内的特别关注。新型的半导体元件，先进的制造技术以及新型板材，使得大批量生产高频模拟电路和高速数字系统成为可能。
在射频电路设计中，高频电
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路主要由三大部分组成，分别为无源元件，有源元件以及有源网络，而其中的无源元件主要为电阻器、电感器和电容器。
在设计中，因为射频电路存在着与低频电路显著不同的特性（在高频条件下，电路特性会发生改变），因此需要射频电路理论去进行电路设计。基于基尔霍夫经典电压、电流定律的分析方法，只能用于分析直流电路及包含电阻、电容和电感网络的低频集中参数系统，对于电磁波特性特殊的高频电路，就将受到很大的使用限制。高频条件下，电路内部导线与其他无源器件之间的杂散电感，以及导体相互之间与元件和接地端的杂散电容对于电路的影响，会被无限量放大，从而使得电路特性发生与低频电路完全不同的改变[1]。
频率增加等效于波长减小。对于射频电路来说，相应的是，如果当电路元件的尺寸大小接近于波长大小时，空间位置的不同将会影响电压电流变化，即把他们当做传输的波。这就是传输线理论。因为经典电压定律和电流定律都没有把这种空间变化纳入考虑范围，因此修正传统的集中电路理论显的尤为重要。
在传输线理论中，传输材料的材料性质和几何尺寸将影响传输线的特性阻抗，此外，对输入阻抗影响较大的参数还有传输线长度以及其工作频率。我们通过利用反射系数可以等效的计算输入阻抗。而为了简化其繁琐的运算步骤，以映射原理作为基础的图解方法应运而生。在图解方法中，不仅可以直观的反应其传输线阻抗，还能显示出相关反射系数参数。该图解方法由史密斯创立，因此被称为史密斯圆图的图解方法。该方法在20世纪30年代提出，现在仍然被普遍使用。史密斯圆图的电路匹配分析方法，被应用在了大多数的程序设计软件中，无论是匹噪声系数、增益和稳定性判别圆的计算，都有史密斯圆图发挥作用的地方。
然而如何才能实现我们的课题目标，使得网络的功率传输可以达到最高？根据传输线理论，我们必须要保证负载阻抗与波源阻抗相互匹配[2]。而要实现上述的匹配情况，我们通常的做法是设计一个无源网络隔离波源和负载。上述的无源网络就是我们所需要求取的匹配网络。当然，这种无源匹配网络不仅仅能实现最大功率传输要求。事实上，减小功率损耗只是我们所设计的匹配网络的单一功能，除此之外我们设计的匹配网络所具有功能远远不止这些，比如说降低噪声干扰、提高功率容量及改善频率响应等等。在一般射频电路的设计中我们普遍认为，之所以设计匹配网络就是要达到我们预期的目的也就是阻抗变换，就是在我们给定的频率区间内变换给定阻抗值使得其数值发生变化。
本课题的研究内容是射频电路阻抗匹配方法，就是利用无源网络进行匹配的技术。研究内容中的关键点，是保证波源负载之间的反射系数能去到极小值，而暂时忽略其他各项参数，例如频率响应和噪声系数等等。阻抗匹配从最容易设计的集中参数元件网络开始，这种网络在中低频段上应用较多，通常分布在吉赫频段。在解决集中参数元件网络之后才会考虑以分布参数元件来实现的匹配网络。这种匹配网络设计通常使用在高频段。
为了简化分析并使得设计方法更加直观，本课题中将把史密斯圆图作为主要设计工具而广泛使用。
1.2 课题研究内容
Matlab是一款功能强大的软件，它的使用范围出现在工科的各个科目种类。其强大的计算能力可以简化我们的运算过程，并且MATLAB的友好用户界面使得我们操作方便，其直观的图表能力更能让我们一目了然的查看矢量图以及数据表。
在课题中，为完成匹配网络设计，使用了史密斯圆图的图解方法，因此将涉及大量的图形设计、方程推导以及曲线交点求取的问题。在实际的笔算中，这些推导过程，既繁琐又极容易出现较大的误差。因此，使用Matlab来进行枯燥的公式推导和网络设计，成为本课题的研究重点。
通过Matlab来形成史密斯圆图，推衍电阻圆与电导圆交点，把交点坐标转化为实际的阻抗值和导纳值，然后通过不同特征点的坐标比较确定其对应元件接入网络的并联/串联方式。其次，让Matlab操作阻抗圆上点沿圆周运动，根据运动的顺逆时针方向确定电感器/电容器的选择。
阻抗匹配原理
2.1 史密斯圆图基本原理
2.1.1 反射系数与图解表示法
在传输线理论中，反射系数定义为传输线上，某确定空间位置上的反射电压波与入射电压波之比[3]。在负载端d = 0处的反射系数值得特别关注。实际上，如式（2.1）所示，负载系数Γ0描述了特性阻抗Z0和负载阻抗ZL之间的匹配失配程度。

（2.1）

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