引领你进入史密斯圆图的神奇世界:串并联口诀全面解析

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Smith 圆图对于每一个射频工程师而言是一个非常重要的辅助工具。对于mith,做的最多的,可能就是匹配,而做匹配,最常用到的就是Smith圆图。
 
史密夫图表(Smith chart,又称史密斯圆图)是在反射系散平面上标绘有归一化输入阻抗(或导纳)等值圆族的计算图。
 
想当年在学校的时候,觉着Smith圆图好难;工作久了,再加上相关辅助软件的帮助,觉着Smith圆图还是比较好理解的。
 
要用好Smith圆图,关键是熟悉它的构成。主要包括等电阻圆,等电导圆,等Q线,等电抗圆,等电纳圆。
 
高频与微波电路设计中,阻抗匹配是最基本且重要的课题。阻抗匹配的目的:使信号由电源端传送到负载端时获得最大的功率。 
 
发明者:菲利普·史密斯(Phillip H.smith);
 
时 间:1939;
 
优 点:解决传输线的复杂计算的计算工具,快速、有效的达成匹配;
 
Smith圆图:探索射频工程师必备的利器
 
Smith圆图(又称史密斯圆图)是对于每一个射频工程师而言,都是一个非常重要的辅助工具。尤其在阻抗匹配方面,Smith圆图被广泛应用。
 
Smith圆图是一种在反射系散平面上绘制归一化输入阻抗(或导纳)等值圆族的计算图。虽然在刚开始学习时可能觉得Smith圆图很难理解,但随着工作经验的积累和相关辅助软件的使用,它变得更易于理解和应用。
 
要充分利用Smith圆图,关键是熟悉其构成。主要包括等电阻圆、等电导圆、等Q线、等电抗圆和等电纳圆等元素。在高频与微波电路设计中,阻抗匹配是最基本且重要的课题。阻抗匹配的目标是使信号从电源端传输到负载端时获得最大功率。
 
Smith圆图发明者菲利普·史密斯于1939年提出,它解决了传输线复杂计算的难题,可以快速有效地实现匹配。特点是由许多圆交织在一起构成一个整体。
 
对于天线而言,其输入阻抗与结构、工作频率、周围环境和馈电位置等因素有关。手动计算相关参数会变得非常复杂,所以通常我们通过实验测定来获得。通过观察Smith圆图,我们可以快速、简便地获取所需参数。
 
为了更好地使用Smith圆图,有一些相关的辅助工具可以帮助我们:
 
ADS(高级设计系统)
 
Smith V3.10(Smith圆图软件)
 
VNA(矢量网络分析仪)
 
在匹配中,通常采用电感和电容的串并联形式。由于Smith圆图由许多圆周交织在一起,我们需要先了解各个圆族群。
 
阻抗族群:电阻+电抗圆
 
导纳族群:电导+电纳圆
 
需要记住以下几点:
 
从图中经过圆心的两个圆分别是50欧姆的电阻圆和电导圆(以特性阻抗为50Ω为例)。圆上的电阻值不会变化,变化的是电抗的值。
在上半部分,电抗从左到右逐渐增大;在下半部分,电抗从左到右逐渐减小。
 
VSWR族群(反射系数族群)
 
我们可以通过观察Smith圆图来判断VSWR的值。例如,当VSWR=2时,圆的半径约等于直径的1/3;当VSWR=3时,圆的半径约等于直径的1/4。最终匹配的目标是将所需点拉到VSWR=2或3的圆内。
 
Q品质因数
 
从图中可以看出,越靠近匹配点,Q值越小,带宽越大。
 
除了上述要点,还需要记住Smith圆图的相关区域特性:
 
感性+容性:上半部分代表感抗,下半部
 
在使用Smith圆图时,我们还需要记住一些与特定区域相关的特性。
 
感性和容性
 
Smith圆图的上半部分代表感抗,下半部分代表容抗。通过观察圆图可以明显区分出这两种特性。
 
阻抗
 
通过电阻轴,我们可以清晰地看到以下三个观察点:
 
A. 所有圆周只有一个相同的交点,唯一的交点;
B. 最大的圆代表0Ω,即没有电阻,它上面都是电抗(r=0);
C. 圆圈旋转一周对应0.5λ。
 
元器件走向
 
根据元器件的连接方式,不同类型的元器件在Smith圆图中的表示方式也不同:
 
并联电感:沿着等电导圆逆时针移动;
并联电容:沿着等电导圆顺时针移动;
串联电感:沿着等电阻圆顺时针移动;
串联电容:沿着等电阻圆逆时针移动。
 
对于匹配电路的设计,在已知源阻抗和负载阻抗的情况下,借助现有的Smith圆图软件,我们可以很容易地进行设计。在使用Smith圆图时,有两个关键点你必须铭记于心:
 
了解电感和电容所占的区域;
理解串联和并联电感电容的走势。
 
通过掌握这些知识,在Smith圆图软件的辅助下,我们可以轻松地设计出匹配电路。Smith圆图对于电子工程师而言是一个非常实用和重要的工具,它能够帮助我们更好地理解和应用阻抗匹配原理。
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在哥伦比亚(Christopher Columbus)航行前,所有人都认为地球是平的… 。在过去的许多年中,我将传统的史密斯圆图进行扩展来帮助我理解射频领域中像振荡器设计以及放大器的稳定性这类涉及到负阻抗器件的问题。其概念使得我对于与阻抗有关问题的本质有了更深的理解,并且也证明了这是一个很有用的附加的设计辅助工具。最近,在餐桌上与其他工程师讨论时,我提到了自己的一些想法。这些想法得到了大家的认可,从那时起,他们多次说服我将自己对史密斯圆图的扩展发表出来。为此,在这篇文章中,我试图用最简单的方法来解释基于众