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Smith圓圖是什么?
是由菲利普·史密斯(Phillip Smith)于1939年發(fā)明的,由很多圓周交織在一起的一個(gè)圖,是反射系數(shù)的極坐標(biāo)圖。史密斯曾經(jīng)說過:“在我能夠使用計(jì)算尺的時(shí)候,我對(duì)以圖標(biāo)方式來表達(dá)數(shù)學(xué)上的關(guān)聯(lián)很有興趣。”
Smith圓圖常用于協(xié)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(guān)參數(shù)
01
反射系數(shù)
信號(hào)沿傳輸線向前傳播時(shí),每時(shí)每刻都會(huì)感受到一個(gè)瞬態(tài)阻抗,這個(gè)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(duì)于信號(hào)來說,它不會(huì)區(qū)分到底是什么,信號(hào)所感受到的只有阻抗。如果信號(hào)感受到的阻抗是恒定的,那么他就會(huì)正常向前傳播,只要感受到的阻抗發(fā)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(zhuǎn)角,接插件),信號(hào)都會(huì)發(fā)生反射。
歸一化負(fù)載阻抗:
得到:
當(dāng)中的Γ代表其線路的反射系數(shù)(reflection coefficient)Z是歸一負(fù)載值,即ZL/ Z0。當(dāng)中,ZL是線路本身的負(fù)載值,Z0是傳輸線的特征阻抗(本征阻抗)值,通常會(huì)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(shù)、駐波比。駐波比等于1時(shí),表示饋線和天線的阻抗完全匹配,此時(shí)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(shí),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(shù)來計(jì)算得出:
03
S11
S11實(shí)際上就是反射系數(shù)Г,只不過它特指一個(gè)網(wǎng)絡(luò)1號(hào)端口的反射系數(shù)。反射系數(shù)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(duì)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(gè)復(fù)數(shù),實(shí)部稱為電阻,虛部稱為電抗,其中電容在電路中對(duì)交流電所起的阻礙作用稱為容抗,電感在電路中對(duì)交流電所起的阻礙作用稱為感抗,電容和電感在電路中對(duì)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?yàn)殡娙莺碗姼械拇嬖?,它?huì)是一個(gè)復(fù)數(shù)。
(1)如果(ωL–1/ωC) > 0,稱為“感性負(fù)載”;
(2)反之,如果(ωL–1/ωC)<0,稱為“容性負(fù)載”;
如果電路中只有電阻,它只會(huì)影響信號(hào)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(shí),不僅會(huì)影響信號(hào)幅度,同時(shí)相位、頻率特性也會(huì)發(fā)生變化,所以計(jì)算過程中即需要考慮實(shí)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(gè)復(fù)平面里面,以實(shí)部為x軸、以虛部為y軸,表示任意一個(gè)復(fù)數(shù)。我們的阻抗,不管多少電阻、電容、電感串聯(lián)、并聯(lián),之后,都可以表示在一個(gè)復(fù)平面里面。
在RLC 串聯(lián)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(fù)平面中表示:
各種阻抗的情況,組成了這個(gè)無窮大的平面。
下面就開始方便我們?nèi)ビ涀mith圓圖,我們將進(jìn)行"變身“:
將復(fù)平面圖,進(jìn)行扭曲變成圓,變身過程如下:
紅色的線上的阻抗,有個(gè)特點(diǎn):虛部為0;(電感、電容為0)
紫色的線上的阻抗,有個(gè)特點(diǎn):虛部為-1;
藍(lán)色的線上的阻抗,有個(gè)特點(diǎn):虛部為1;
Smith圓圖操作
紅色是阻抗圖,綠色是導(dǎo)納圖;
上半圓表示感性負(fù)載,下半圓表示容性負(fù)載,中間紅線表示純電阻;
串聯(lián)器件看阻抗圖:
(1)串聯(lián)電感順時(shí)針移(增加感性)
(2)串聯(lián)電容逆時(shí)針移(增加容性)
并聯(lián)器件看導(dǎo)納圖:
(1)并聯(lián)電感逆時(shí)針移(增加感性)
(2)并聯(lián)電容順時(shí)針移(增加容性)
總之,都是往增加該器件屬性的方向移動(dòng);
比如上圖P1點(diǎn)需要往中心點(diǎn)靠,可以先阻抗圖順時(shí)針轉(zhuǎn),再導(dǎo)納圖順時(shí)針轉(zhuǎn),即通過串電感,再并電容。如下圖,串聯(lián)16.2nH電感到P2點(diǎn),再并聯(lián)3.0pF電容到P3點(diǎn)。
平時(shí)做阻抗匹配時(shí)不可能完全做到匹配后反射系數(shù)為0,通常希望反射系數(shù)絕對(duì)值小于1/3(這時(shí)對(duì)應(yīng)RL≈-10dB,VSWR≈2,反射率≈11%),即下圖藍(lán)色區(qū)域。
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