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。