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          史密斯圓圖及其與反射系數(shù)和阻抗的關(guān)系

          作者: 時間:2024-12-13 來源:EEPW編譯 收藏

          了解的歷史和來龍去脈,以及它與的關(guān)系,使計(jì)算更容易。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202412/465501.htm

          是一種圖形化的射頻設(shè)計(jì)工具,它使我們能夠輕松計(jì)算將給定轉(zhuǎn)換為另一個所需的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的組件。

          早在20世紀(jì)30年代,就是高頻工作的主要工具。史密斯圓圖是電氣工程師菲利普·哈格·史密斯的發(fā)明。在當(dāng)今的計(jì)算機(jī)中,這種圖形工具作為計(jì)算輔助工具的相關(guān)性可能已經(jīng)降低;然而,它仍然是直觀可視化RF電路不同參數(shù)的有用工具。以至于所有射頻電路和系統(tǒng)模擬器以及測量設(shè)備,如網(wǎng)絡(luò)分析儀,都可以直接在史密斯圓圖上顯示其輸出??紤]到其廣泛使用,有必要對史密斯圓圖有深入的了解,以便能夠使用不同的射頻模擬器和測量設(shè)備。

          史密斯圓圖對于通過手工計(jì)算設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也非常有幫助。使用史密斯圓圖設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是快速、直觀的,在實(shí)踐中通常足夠準(zhǔn)確。

          史密斯圓圖上的:一個性能良好的參數(shù)

          史密斯圓圖基本上是的極坐標(biāo)圖(以及我們稍后將討論的一些其他圖)。考慮到史密斯圓圖的廣泛傳播,您可能會正確地猜測反射系數(shù)參數(shù)在基于射頻的工作中至關(guān)重要。使用低頻電路的模擬設(shè)計(jì)人員通常使用阻抗概念來分析和建模他們的電路。當(dāng)頻率超過幾百兆赫時,阻抗的概念在一定程度上失去了用處。在較高頻率下,反射系數(shù)的概念可能更有用。

          為了更好地理解反射系數(shù)的獨(dú)特特征,請考慮圖1中的圖表,該圖表顯示了以任意阻抗ZL終止的傳輸線。

           

          1.png

          圖1傳輸線以任意阻抗終止

          傳輸線沿線不同點(diǎn)的輸入阻抗由方程1給出:

           2.png

          方程式1

          其中Γ在(d)中,距離負(fù)載d處的反射系數(shù)如方程2所示:

           3.png

          方程式2

          在方程2中,β是相位常數(shù),Γ0是常見的負(fù)載反射系數(shù),這導(dǎo)致了方程3:

           4.png

          方程式3

          方程式3很容易理解;它給出了給定ZL的負(fù)載反射系數(shù)。例如,如果ZL=50+j50Ω,Z0=50Ω,我們得到Γ0=0.2+j0.4。方程式2顯示了反射系數(shù)如何沿線變化。如您所見,(d)中Γ的大小是恒定的,等于Γ0的大?。ň哂猩鲜鲋档?.447);然而,其相位角隨距負(fù)載的距離呈線性變化。

          例如,如果βd(稱為線路的電氣長度)為45°,則(d)中Γ的相位角為Γ0減去90°的相位(63.4°-90°=-26.6°)。圖2中的極坐標(biāo)圖顯示了如何從Γ0中圖形化地獲得(d)中的Γ。

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          圖2:使用上述示例和方程的極坐標(biāo)圖示例

          可以看出,對于給定的Γ0,沿(d)中Γ線的反射系數(shù)位于半徑為|Γ0|的圓上??傊瓷湎禂?shù)是一個表現(xiàn)良好的射頻參數(shù),因?yàn)樗姆妊鼐€是恒定的,其相位角隨線的長度呈線性變化。線路阻抗的情況并非如此。在負(fù)載不匹配的情況下,輸入阻抗沿線路連續(xù)變化。對于|Γ0|=1,輸入阻抗的大小可以在零到無窮大之間的任何地方。

          高頻反射系數(shù)——測量的易用性和可靠性

          反射系數(shù)在高頻工作中是一個更具吸引力的參數(shù)還有另一個原因。阻抗的概念自然會讓我們想到雙端口網(wǎng)絡(luò)表示,如阻抗參數(shù)、導(dǎo)納參數(shù)和混合參數(shù)。為了通過實(shí)驗(yàn)確定這些表示的參數(shù),我們需要斷開或短路適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)端口。然而,在高頻下,很難提供短路和開路條件,特別是在寬頻范圍內(nèi)。此外,有源高頻電路在端接開路或短路時可能會振蕩。

          另一方面,反射系數(shù)的概念與S參數(shù)表示密切相關(guān)。使用這種類型的網(wǎng)絡(luò)表示,網(wǎng)絡(luò)的適當(dāng)端口在線路的特性阻抗中終止。例如,下圖(圖3)測量了兩個S參數(shù),即S11(輸入反射系數(shù))和S21(從端口1到端口2的透射系數(shù))。

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          圖3顯示兩個S參數(shù)的示例圖

          S參數(shù)相對于其他類型的網(wǎng)絡(luò)表示的一個主要優(yōu)點(diǎn)是,在實(shí)踐中可以實(shí)現(xiàn)S參數(shù)測量所需的寬帶電阻終端。這使我們能夠進(jìn)行準(zhǔn)確和可重復(fù)的射頻測量。

          史密斯圓圖的發(fā)明

          1933年,AT&T工程師Philip Smith發(fā)明了史密斯圓圖,以簡化傳輸線的輸入阻抗計(jì)算。如上所述,史密斯圓圖是反射系數(shù)的極坐標(biāo)圖。然而,在那些日子里,工程師們習(xí)慣于使用阻抗概念;反射系數(shù)圖對他們沒有多大意義。

          首先,我們設(shè)定了一個背景來認(rèn)識史密斯發(fā)明的意義。S參數(shù)是由K.Kurokawa在20世紀(jì)60年代引入的。在史密斯圓圖發(fā)明30多年后的20世紀(jì)60年代,也引入了使用S參數(shù)將RF分量表征到千兆赫區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)分析儀。Smith至少認(rèn)識到了反射系數(shù)相對于阻抗的一些優(yōu)點(diǎn),并決定使用Γ概念來解決他所涉及的問題。為了能夠與其他工程師就阻抗參數(shù)的熟悉術(shù)語進(jìn)行交流,Smith還決定包括一些阻抗圖,以便很容易地找到給定反射系數(shù)的等效阻抗,反之亦然。通過繪制Γ平面中恒定電阻和電抗的輪廓,創(chuàng)建了熟悉的史密斯圓圖(圖4)。

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          圖4史密斯圓圖示例

          在大多數(shù)史密斯圓圖中,Γ平面的實(shí)軸和虛軸沒有顯示,因?yàn)檎娴牟恍枰@式顯示它們。這給我們留下了一些分別對應(yīng)于恒定電阻和電抗輪廓的圓和弧。讓我們看看這些輪廓是如何獲得的,以及我們?nèi)绾谓忉屗鼈儭?/p>

          史密斯圓圖歸一化阻抗

          史密斯圓圖基于Γ0和阻抗之間的關(guān)系(方程3)。值得注意的是,方程式3描述了這兩個參數(shù)之間的一對一關(guān)系,因此知道一個參數(shù)就等于知道另一個參數(shù)。此外,史密斯圓圖是使用如下定義的歸一化阻抗繪制的:

           8.png

          方程式4

          其中r和x是歸一化阻抗的實(shí)部和虛部。繪制歸一化阻抗使我們能夠?qū)哂胁煌瑓⒖甲杩沟南到y(tǒng)使用相同的圖表。然而,我們需要記住,我們從圖表中讀取的阻抗應(yīng)該乘以Z0,以找到我們系統(tǒng)的實(shí)際阻抗值。此外,請注意,使用歸一化阻抗不會改變Γ0方程。為了用歸一化阻抗表示Γ0,我們將方程3的分子和分母都除以Z0,這顯然不會改變方程。Γ0方程以z表示如下:

           9.png

          方程式5

          因此,雖然史密斯圓圖上顯示的阻抗是歸一化的,但反射系數(shù)不是。方程5是確定給定z如何產(chǎn)生其相應(yīng)Γ的映射函數(shù)。這個方程實(shí)際上是雙線性變換。這個名字源于它是兩個線性函數(shù)的比值。雙線性變換將圓映射為圓。記住,對于數(shù)學(xué)家來說,直線也是圓的特例。

          恒定電阻圈

          作為雙線性變換,方程5將常數(shù)r(或具有常數(shù)實(shí)部的阻抗)的線映射到Γ平面中的圓。例如,線z=0+jx被變換為以Γ平面原點(diǎn)為中心的半徑為1的圓(見圖5中的藍(lán)線和藍(lán)圓)。

           10.png

          圖5雙線性變換示例

          類似地,該變換將線z=1+jx映射到以u=0.5和v=0為中心的半徑為0.5的圓。一般來說,可以證明具有常數(shù)r的阻抗被轉(zhuǎn)換為半徑為 1r+11r+1 中心在 u=rr+1u=rr+1 and v = 0

          恒定電抗循環(huán)

          對于某些x值,阻抗與恒定電抗的映射如圖6所示。

           11.png

          圖6阻抗與恒定電抗的示例映

           同樣,方程5的雙線性變換將常數(shù)x的線(或具有常數(shù)虛部的阻抗)映射到Γ平面中的圓。請注意,上圖中僅顯示了這些圓中位于單位圓內(nèi)的部分。當(dāng)使用被動載荷時,|Γ|不能超過單位。這意味著阻抗在單位圓內(nèi)具有r≥0的映射。這就是為什么在處理史密斯圓圖時,我們通常對單位圓內(nèi)的區(qū)域感興趣。只有一部分恒定電抗圓落在單位圓內(nèi),因此,這些曲線看起來像一些弧形而不是完整的圓。

          一般來說,具有常數(shù)x的阻抗被轉(zhuǎn)換為半徑為 1x1x

          以u=1為中心v=1x

          史密斯圓圖是反射系數(shù)與上述恒定電阻和電抗輪廓疊加的極坐標(biāo)圖(上圖4)。

          在下一篇文章中,我們將通過史密斯圓圖查看阻抗計(jì)算的幾個不同示例



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