射频阻抗调节疑问

hahahahahawaca

cariban 发表于 2019-2-19 16:08
1. 由无源线性元件，比如电阻，电感和电容组成的网络一定是互易的。一般含有有源器件(比如放大器)，和由各 ...

关于互易网络我有个疑问：
如下图所示网络，Z1和Z2分别由无源线性器件构成，PORT1是芯片输出端口，PORT2是经过匹配网络后的链路末端。
我们测试S22时一般在PORT2进行。这里我假设Z1在待测频带上为极高的阻抗，而Z2在待测频带上为75ohm，和意图匹配到的阻抗一致。
那么，我们测的S22是否为完全匹配？即S22很小。按|S22|^2 + |S12|^2=|S11|^2 + |S21|^2 = 1易知S12=1，但Z1此时又很大，按道理来说，S12应该非常小才对。
我这个逻辑错在哪呢？

hahahahahawaca

cariban 发表于 2019-2-19 16:28
补充一句，你的这个应用情况和下载包里的应用实例几乎完全匹配(细微的区别是实例里是输入端口匹配，频段 ...

非常感谢。这周末我找空闲时间去公司试验下！

cariban

hahahahahawaca 发表于 2019-2-19 20:36
关于互易网络我有个疑问：
如下图所示网络，Z1和Z2分别由无源线性器件构成，PORT1是芯片输出端口，PORT2 ...

首先给楼主的钻研精神点个赞！工程师需要这种钻研的精神。
|S22|^2 + |S12|^2=|S11|^2 + |S21|^2 = 1 这个公式直接来至于能量守恒，只适用于无损网络的情况。对于有损网络，公式应该扩展为:
|S22|^2 + |S12|^2 + E_loss2=|S11|^2 + |S21|^2 + E_loss1 = 1
注意选择不同的端口输入信号，能量损耗一般也不同。
1. 如果信号从port1 输入，因为Z1很大，反射系数接近1，所有的能量都反射回去了，S11=1, S21=0, E_loss1 = 0;
2. 如果信号从port2 输入，因为Z2=75而Z1很大，反射系数接近0，所有的能量都被Z2吸收了，S11=0, S21=0, E_loss2 = 1;

但是S12仍然和S21相同，因为互易的性质。

实际上这个网络的散射参数可以直接推导出来:
S11 = (Z1*(Z2+75) - 75^2) / (Z1*Z2 + 75*(Z1+2*Z2+75))
S22 = (Z1*(Z2- 75) - 75^2) / (Z1*Z2 + 75*(Z1+2*Z2+75))
S12 = S21 = (2*75*Z2) / (Z1*Z2 + 75*(Z1+2*Z2+75))

不难看出当Z1 -> 无穷， Z2 = 75的时候，S11 -> 1, S22 -> 0, S12 = S21 -> 0

cariban

hahahahahawaca 发表于 2019-2-19 20:43
非常感谢。这周末我找空闲时间去公司试验下！

你的电路图是自己画的还是参考电路?这个匹配电路用了好几个电阻，肯定会损失一些功率。如果你的信号要并入有线网络，邻道干扰和谐波都有严格的要求。如果采用有损匹配网络，在最终输出功率一定的条件下，放大器的输出信号功率必然加大，邻道干扰和谐波都会相应增大，这对通过测试是不利的。所以建议优先使用无损匹配网络，实在不行再用电阻。IMNLab在进行有损网络优化的时候，可以设定允许的最大损耗, 选择附图里面的第二个优化选项，可以从0.5dB最大损耗开始试探。通常1dB的功率损耗可以减少2-3dB的回波发射。

重新强调一下，优先使用无损匹配网络！

hahahahahawaca

cariban 发表于 2019-2-20 16:26
首先给楼主的钻研精神点个赞！工程师需要这种钻研的精神。
|S22|^2 + |S12|^2=|S11|^2 + |S21|^2 = 1 这个 ...

那是不是可以说，只要使用无源器件接入到地端，那这个网络就必然是有损网络？因为一部分能量必然从接地的无源器件中流失了。
实际工程中，像wifi的π型匹配网络实际也是有损网络？

hahahahahawaca

cariban 发表于 2019-2-20 17:10
你的电路图是自己画的还是参考电路?这个匹配电路用了好几个电阻，肯定会损失一些功率。如果你的信号要并入 ...

这个电路图是demo上的，后面由于不好调试S22，我在100nf电容前加了一个3.9nh电感。现在S22全频带在-16db左右。
调试中，我发现芯片的低频端输出阻抗大约在55-65ohm左右，如果要使用电感进行匹配，必然感值很大，对高频1G是不利的。后面对地并的R26也是强拉阻抗，实在不好调试。
您这边对这个电路有什么优化建议呢？周末我也会去公司再调一下这个电路。

cariban

hahahahahawaca 发表于 2019-2-20 22:24
那是不是可以说，只要使用无源器件接入到地端，那这个网络就必然是有损网络？因为一部分能量必然从接地的 ...

无源器件中的电容，电感，变压器，传输线等都是无损的（当然实际元件多少有些可以忽视的损耗），电阻是有损的。如果网络中只包含无损元件(充分但是非必要条件)，不管是什么样的拓扑结构，一定是无损网络。接地并不一定会损失能量，无损元件工作过程就是不断地积蓄/释放能量。

如果有电阻（必要但是非充分条件），那么就有可能是有损的。

cariban

hahahahahawaca 发表于 2019-2-20 22:29
这个电路图是demo上的，后面由于不好调试S22，我在100nf电容前加了一个3.9nh电感。现在S22全频带在-16db ...

我没有见过你这个板子的layout, 就先假设所有匹配元件物理距离都很近，可以看成一个集中参数网络。我直觉你这个匹配网络有改善的空间，并联一个180欧姆的电阻带来大约3dB的损耗，影响了整个系统的性能。

我的建议:

1. 首先去掉所有的并联元件C37, L13, R25, R26。保留D11，这是保护二极管，必须连接。不过最好检查一下D11的datasheet, 看看它的等效电容是不是足够小，越小对电路的影响越小。最新的保护二极管电容可以小至0.1pF。如果大于0.5pF，就得考虑换保护二极管;

2. 把R21从27R改成0R电阻;

3. 把L12换成0R电阻。C38, C33和C34是隔直电容，不做改动。

4. 用calibration kit校正矢量网络分析仪(VNA)，如果已经校正过就跳过这一步;

5. 测量J3 (应该是type-F)的反射系数，存为一端口*.s1p文件。这个文件就是以后输入到IMNLab的"LOAD"文件;

6. 移除R21, 从新测量J3的反射系数，存盘为*.s1p文件。这个文件就是以后输入到IMNLab的"OPEN"文件;

7.  从R21右边的pad焊接两个0R电阻(最好一上一下)到GND，电阻接地点越solid越好，有可能的话直接焊接在GND穿孔上。 再测量J3的反射系数，存盘为*.s1p文件。这个文件就是以后输入到IMNLab的"SHORT"文件;

8. 从R21右边的pad焊接两个150R电阻(最好一上一下)到GND，同样尽量保证电阻接地点solid。 再测量J3的反射系数，存盘为*.s1p文件。这个文件就是以后输入到IMNLab的"MATCH"文件;

9. 运行IMNLab, 输入以上得到的四个文件，提醒一下把端口类型设为输出，系统阻抗设为75欧姆。然后可以从三阶的无损PI型匹配网络开始。把电阻的上下界都设为0(也就是没有电阻)。并联分支的电容界限设为0.1 - 20pF, 串联分支的电容设为1-100pF,。并联分支电感界限设为0-50nH,  串联分支电感界限设为0-20nH, 然后优化试试。根据优化结果再调节元件界限。

以后的工作就看情况而定，如果无损网络匹配达不到要求，就考虑加入电阻。软件使用问题可以参考那个例子，也可以发消息给我。

hahahahahawaca

cariban 发表于 2019-2-21 16:52
我没有见过你这个板子的layout, 就先假设所有匹配元件物理距离都很近，可以看成一个集中参数网络。我直觉 ...

好的，再次感谢。

hahahahahawaca

cariban 发表于 2019-2-21 16:52
我没有见过你这个板子的layout, 就先假设所有匹配元件物理距离都很近，可以看成一个集中参数网络。我直觉 ...

1、我将测得数据导入软件后，发现S22曲线和矢网仪上的S22测量曲线有区别（即load模式下的S22曲线）。中频段（300-600MHZ）要比矢网仪上的第3-4db左右，高频段也不太一致。附件是测的的阻抗数据。2、使用理想3阶模型去跑反射损耗，最好的结果是-12.2db反射损耗，但是我现在实际电路已经调到-16db左右。继续增加阶数，没跑出来结果。3、我尝试将链路焊接为load模式，测得smith圆图；然后在链路上串联4.7nh电感，又测得smith圆图；继续增大串联电感至10nh，再次测得smith原图（此时1Ghz移动到白色箭头所指处）。测量的结果见下图。可见高频1Ghz处的移动并不是按理论上串联电感的顺时针圆方向移动。我觉得很困惑。