史密斯圆图需要知道的知识

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史密斯圆图能干什么用?

史密斯圆图是做高频电路时匹配阻抗的一种工具。即分析电路对信号的阻碍,阻抗是个矢量,即一个复数,其包括实部电阻成分和虚部电抗部分。两者合并称之为阻抗。阻抗匹配就是在电路上加上电容、电感等期间使其信号源与负载间达到平衡状态。史密斯圆图主要就用来计算接到电路里面的电感电容值。史密斯圆图也可以显示某一电路的频率与阻抗特性。

史密斯圆图怎么用?

史密斯圆图相当于一个地图,它上面的每一个点都有具体的复数形式的阻抗值,而其圆心叫做匹配点,即为我们的目标点,通过规划一条路径信号到达那里。然后借助一些软件计算即可。

VNA(矢量网络分析仪)上的史密斯圆图有什么用?

VNA上的史密斯圆图与曲线并非我们人为绘制的,而是天线的具体特性。它表示在测量频率范围内的阻抗变化。无需关注VNA上的曲线走向和形状,我们只需要关注我们要的特定频率时,曲线上的点是否处于匹配点(史密斯圆图中心)

史密斯圆图的识图

核心点:一线、两弧和两圆

一线:一根特殊的等虚部线

电阻线

史密斯圆图被一条名为电阻线的线分为上下两部分,上半部分叫电感区,那里的点虚部为正值;下半部分叫电容区,那里虚部为负值。而那条线的虚部为0,电阻线是一根特殊的虚部线。电阻线上有三个特殊的点,最左侧为短路点,表示实部为0,虚部也为0的情况;最右侧为断路点,表示实部无穷大,虚部为0的情况;圆心即匹配点,表示实部为标准阻值(一般为50Ω),虚部为0的情况。这三点在校正仪器时十分重要。

归一化处理

电阻线上标的值不一定是实部的电阻值,而是经过归一化处理,即阻抗值与标准组织的比值,而标准阻值根据实际需要来定,通常情况下为50Ω。经过归一化处理的好处是,更多的通用性,因为标准阻值可以为任意值。

  • 导纳值与归一化导纳值
    导纳值是什么? 导是电阻的倒数,纳电抗的倒数,加在一起就是导纳值,也是阻抗值的倒数,单位为西门子 S , 1S = 1000mS,归一化导纳值就是将导纳值除以0.02S标准导纳值(0.02S = 1/50Ω)

例如标准化阻值为50Ω的史密斯圆图上25欧姆点导纳值为 1/25Ω=0.04S,0.04S/0.02S=2

两弧和两圆:等实部圆和等虚部弧

两圆:两种等实部线

与电阻线相切的圆形都是等实部线,红色的叫阻抗圆,绿色的叫导纳圆,我们在电阻线上找到实部阻抗值或者实部导纳值之后,就要沿着阻抗圆或者导纳圆去找虚部值。而电阻线上方的点为正值,代表阻抗虚部呈感性,电阻线以下的点为负值,代表阻抗点的虚部呈容性。

两弧:两种等虚部线

从断路点出发,向史密斯边界放射的叫等电抗弧,而从短路点出发,向史密斯圆图边界放射的叫等电纳弧。这些都是等虚部线。找到实部值之后,就是沿着实部线找到特定值的等虚部线。

史密斯圆图上点的调整

上感下容,左并右串

我们需要做的就是规划一条路径,是目标点到达匹配点,即可,通常情况下到达匹配点的路径有多条,只需要选择一条就好。

当然实际情况下并不能做到正中心的,那么就需要关注驻波比了,在下面的等驻波比圆中,越靠近中心,驻波比越小(越趋近于1)。
在正中心驻波比为1,此时能量全部输出出去了,驻波比为1.5时,表示有4%的功率被反射回去了,而驻波比为2时,反射的功率达到11%。
通常来说,小信号情况,驻波比达到1.5就算作良好匹配了,大功率电台、基站需要控制在1.2以内。

参考:

如何看懂史密斯圆图?

最后修改:2022 年 11 月 19 日
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