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Smith圓圖是什么?
是由菲利普·史密斯(Phillip Smith)于1939年發明的,由很多圓周交織在一起的一個圖,是反射系數的極坐標圖。史密斯曾經說過:“在我能夠使用計算尺的時候,我對以圖標方式來表達數學上的關聯很有興趣。”
Smith圓圖常用于協助解決傳輸線問題和阻抗匹配問題。本文將為大家介紹使用方法。
相關參數
01
反射系數
信號沿傳輸線向前傳播時,每時每刻都會感受到一個瞬態阻抗,這個阻抗可能是傳輸線本身的,也可能是中途或末端其他元件的。對于信號來說,它不會區分到底是什么,信號所感受到的只有阻抗。如果信號感受到的阻抗是恒定的,那么他就會正常向前傳播,只要感受到的阻抗發生變化,不論是什么引起的(可能是中途遇到的電阻,電容,電感,過孔,PCB轉角,接插件),信號都會發生反射。
歸一化負載阻抗:
得到:
當中的Γ代表其線路的反射系數(reflection coefficient)Z是歸一負載值,即ZL/ Z0。當中,ZL是線路本身的負載值,Z0是傳輸線的特征阻抗(本征阻抗)值,通常會使用50Ω。
02
駐波比
駐波比全稱為電壓駐波比,又名VSWR和SWR,為英文Voltage Standing Wave Ratio的簡寫。指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比,又稱為駐波系數、駐波比。駐波比等于1時,表示饋線和天線的阻抗完全匹配,此時高頻能量全部被天線輻射出去,沒有能量的反射損耗;駐波比為無窮大時,表示全反射,能量完全沒有輻射出去。
駐波比可以通過反射系數來計算得出:
03
S11
S11實際上就是反射系數Г,只不過它特指一個網絡1號端口的反射系數。反射系數描述的是入射電壓和反射電壓之間的比值,而回波損耗是從功率的角度來看待問題。RL=-S11。
04
阻抗
在具有電阻、電感和電容的電路里,對電路中的電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示,是一個復數,實部稱為電阻,虛部稱為電抗,其中電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗,電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗,電容和電感在電路中對交流電引起的阻礙作用總稱為電抗。阻抗的單位是歐姆。
電阻:
電容:
電感:
阻抗:
因為電容和電感的存在,它會是一個復數。
(1)如果(ωL–1/ωC) > 0,稱為“感性負載”;
(2)反之,如果(ωL–1/ωC)<0,稱為“容性負載”;
如果電路中只有電阻,它只會影響信號的幅度,如下圖所示:
如果電路中不僅存在電阻,還存在電感及電容時,不僅會影響信號幅度,同時相位、頻率特性也會發生變化,所以計算過程中即需要考慮實部,也需要考慮虛部。如下圖所示:
如何記住Smith圓
我們可以在一個復平面里面,以實部為x軸、以虛部為y軸,表示任意一個復數。我們的阻抗,不管多少電阻、電容、電感串聯、并聯,之后,都可以表示在一個復平面里面。
在RLC 串聯電路中,交流電源電壓U = 220 V,頻率f = 50 Hz,R = 30Ω,L =445 mH,C =32 mF。
綜上可得:
X(L)=2πfL≈140Ω
X(C)=1/2πfC≈100Ω
則:
在復平面中表示:
各種阻抗的情況,組成了這個無窮大的平面。
下面就開始方便我們去記住Smith圓圖,我們將進行"變身“:
將復平面圖,進行扭曲變成圓,變身過程如下:
紅色的線上的阻抗,有個特點:虛部為0;(電感、電容為0)
紫色的線上的阻抗,有個特點:虛部為-1;
藍色的線上的阻抗,有個特點:虛部為1;
Smith圓圖操作
紅色是阻抗圖,綠色是導納圖;
上半圓表示感性負載,下半圓表示容性負載,中間紅線表示純電阻;
串聯器件看阻抗圖:
(1)串聯電感順時針移(增加感性)
(2)串聯電容逆時針移(增加容性)
并聯器件看導納圖:
(1)并聯電感逆時針移(增加感性)
(2)并聯電容順時針移(增加容性)
總之,都是往增加該器件屬性的方向移動;
比如上圖P1點需要往中心點靠,可以先阻抗圖順時針轉,再導納圖順時針轉,即通過串電感,再并電容。如下圖,串聯16.2nH電感到P2點,再并聯3.0pF電容到P3點。
平時做阻抗匹配時不可能完全做到匹配后反射系數為0,通常希望反射系數絕對值小于1/3(這時對應RL≈-10dB,VSWR≈2,反射率≈11%),即下圖藍色區域。
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原文標題:Smith圓以及阻抗匹配介紹
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