第四章 Smith圆图与阻抗匹配
4.1 Smith圆图
实际工作中常用Smith圆图辅助进行阻抗匹配。
4.1.1 Smith圆图的构成
根据前面的推导我们知道,对于均匀无耗传输线,负载与源端的距离为lll,则负载端的反射系数为:
可以看出,传输线上任意一点的反射系数与负载处的反射系数只相差一个传输线长度产生的相位。对于确定的传输线和负载,传输线的特征阻抗和负载阻抗是已知,反射系数的模∣τL∣|\tau_L|∣τL∣是一个定值,这也就意味着反射系数在复平面上是一个圆。
根据负载阻抗ZLZ_LZL的不同,反射系数取值0≤∣τL∣≤10\leq|\tau_{L}|\leq10≤∣τL∣≤1,对于不同负载阻抗,反射系数在复平面上是一族同心圆。
这里我们引入一个新变量zlz_lzl,表示输出阻抗与导线特征阻抗的比值,这是将阻抗转化为为无量纲的归一化处理,rrr是归一化电阻,xxx是归一化的电抗:
将zlz_lzl带入反射系数表达式,将反射系数用复数表示,有:
进一步拆分zlz_lzl为复数形式:
整理式中的实部和虚部,对应得到实部和虚部的二元一次方程组:
求解r和xr和xr和x得到:
对应的同样可以得到:
对归一化电阻rrr的等式整理得到:
这是一族圆方程,圆心为(r1+r)(\frac{r}{1+r})(1+rr),半径为(11+r)(\frac{1}{1+r})(1+r1)
通过观察可以发现,这一组圆满足如下特点:
- r越大,即输出电阻相对于传输线的电阻越大,圆的半径越小,当r→∞r\rightarrow\inftyr→∞,圆的半径为0,缩为一点(τr,τi)=(1,0)(\tau_{r}, \tau_{i})=(1, 0)(τr,τi)=(1,0)。
- r越小,即输出电阻相对于传输线阻抗越小,圆的半径越大,当(r→0)(r\rightarrow0)(r→0),此时半径为1,圆的半径取到最大,为单位圆,过点(τr,τi)=(1,0)(\tau_{r}, \tau_{i})=(1, 0)(τr,τi)=(1,0)。
- 所有圆都会过(τr,τi)=(1,0)(\tau_{r}, \tau_{i})=(1, 0)(τr,τi)=(1,0)。
同理,对于归一化电抗x同样可以整理为圆方程的形式:
圆心位于(τr,τi)=(1,1/x)(\tau_{r}, \tau_{i})=(1, 1/x)(τr,τi)=(1,1/x)。
4. 同归一化电阻r相同,当x→∞x\rightarrow\inftyx→∞圆缩为点(1,0)
5. x越小,即负载电抗相对于传输线电抗越小,圆的半径越大,圆心越偏离实轴,当x→0x\rightarrow0x→0圆半径无穷大,与实轴重合。
6. 因为反射系数不能大于0,所以归一化电抗x的一族圆以圆心为(0,0)(0,0)(0,0)的单位圆为外轮廓。
现在把电阻圆与电抗圆绘制在一起,即构成一个完整的阻抗圆图:
4.1.2 Smith圆图的特点
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Smith圆图的横轴和纵轴坐标分别是反射系数的实部和虚部,所以Smith圆图是反射系数的平面图,因为反射系数0≤∣τ∣≤10\leq|\tau|\leq10≤∣τ∣≤1,所以图示的外边界是单位圆。
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决定半径和圆心位置所使用的阻抗是单位为1的归一化阻抗。
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观察均匀无耗传输线的反射系数表达式:
当lll增大时,即测试点向电源方向移动时,复指数(ϕL−2βl)(\phi_L-2\beta{l})(ϕL−2βl)将逐渐减小,在复平面上表现为顺时针转动。同理逆时针转动则是代表观察点向负载方向移动,但只需要注意,复指数的模为1,即旋转过程中半径保持不变,半径只与归一化的电阻和电抗有关。 -
如果传输线是有损耗的,根据前面对反射系数讨论可以知道有如推导关系:
τ=∣τL∣ejϕLe−γl=∣τL∣ej(ϕL−2βl)e(−al)\tau=|\tau_L|e^{j\phi_L}e^{-\gamma{l}}=|\tau_L|e^{j(\phi_L-2\beta{l})}e^{(-al)}τ=∣τL∣ejϕLe−γl=∣τL∣ej(ϕL−2βl)e(−al)
随着lll的增加,即逐渐远离负载,传输阻抗逐渐增大,圆半径将逐渐减小,得到的轨迹是螺旋线。 -
回到无耗传输线模型:
当2βl=2π{2\beta{l}=2\pi}2βl=2π时代表圆图上一个周期,我们在之前的讨论中已经知道传输线的阻抗周期为λ/2\lambda/2λ/2,对应史密斯圆图上转动一周。即2β(λ2)=2π→βλ=2π2\beta(\frac{\lambda}{2})=2\pi\rightarrow\beta\lambda=2\pi2β(2λ)=2π→βλ=2π -
Smith圆图最外围的单位圆上,r=0r=0r=0(r是归一化电阻),表示zl=ZL/Z0z_l=Z_L/Z_0zl=ZL/Z0仅有电抗成分,称为纯电抗圆。但是单位圆上也有例外,当x=0x=0x=0时,即归一化阻抗中的电抗成分为0时,实轴与电抗圆相交的两点不符合条件。
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当x=0x=0x=0,电抗圆方程被扩展成一条与实轴重合的直线,表示纯电阻线。
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Smith圆图上下平面分别为电感性和电容性阻抗面。实轴之上,反射系数虚部为正,表示感性成分;实轴之下,反射系数虚部为负,表示容性成分。
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负实半轴为电压波节点,线上的r值为与此等r圆 相切的等反射系数圆所对应的传输线行波系数。
上面这句话有些拗口,我们逐字分析
电压波节点:驻波场中幅值最小的点(不一定为0),因为反射系数为负数,电压反射波反相,与原波形相抵消。
等r圆:归一化电阻相等的圆,也就是由r唯一确定的电阻圆:
与等r圆相切的等反射系数圆:Smith圆图所在的平面,横轴是反射系数实轴,纵轴是反射系数虚轴,反射系数模长相等的点构成一个以原点为圆心的圆。
行波系数:行波系数是驻波比的倒数,驻波比与反射系数有关:行波系数K=1−∣τ∣1+∣τ∣行波系数K=\frac{1-|\tau|}{1+|\tau|}行波系数K=1+∣τ∣1−∣τ∣
相切:由于是在负实半轴,所以必然是内切,也就意味着2r−∣τ∣=12r-|\tau|=12r−∣τ∣=1。 -
正实半轴为电压波腹点,线上r值为与此等r圆相切的等反射系数圆所对应的传输线驻波比。
波腹点:此时反射系数为正,反射波与原波形叠加
相切:意味着等反射系数圆的模∣τ∣|\tau|∣τ∣与等r圆(被r确定的电阻圆)直径相加为1(单位圆的半径)。因为是在正实半轴,根据电阻圆的位置可以判断此时是外切。 -
Smith圆图的原点表示反射系数的实部和虚部均为0,此时阻抗匹配。
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电阻圆和电抗圆在交点处正交。
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归一化阻抗与反射系数一一对应:
所以Smith圆图坐标平面上每一点都与一个归一化阻抗相对应。 -
在均匀无耗传输线上,反射系数的相位与负载端距离源端的距离lll有关。例如在源端测量反射系数得到的是τ=∣τL∣e(ϕL−2βl)\tau=|\tau_L|e^{(\phi_L-2\beta{l})}τ=∣τL∣e(ϕL−2βl) 式中∣τL∣eϕL|\tau_L|e^{\phi_L}∣τL∣eϕL是在负载处测量的反射系数,因为往返经历了lll的距离,所以源端发生了−2βl-2\beta{l}−2βl的相位变化,注意2是比例系数。
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相位:Smith圆图上转一圈,相位变化2π2\pi2π,传输线上走过的距离为半波长λ/2\lambda/2λ/2。
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由规律3可知,顺时针旋转表示靠近源端,逆时针旋转则表示靠近负载端。
4.1.3 Smith圆图的应用
4.1.3.1 驻波比和行波系数
与等反射系数圆相切的等电阻圆,外切时,归一化电阻r与反射系数∣τ∣|\tau|∣τ∣所产生的驻波比ρ\rhoρ相等;内切时,r等于反射系数τ\tauτ产生的行波系数KKK
对于同一反射系数∣τ∣|\tau|∣τ∣,ρ>1;K<1\rho>1;K<1ρ>1;K<1
对于切点A满足:211+r−∣τ∣=1→∣τ∣=1−r1+r→r=1+∣τ∣1−∣τ∣=ρ2\frac{1}{1+r}-|\tau|=1\\\rightarrow|\tau|=\frac{1-r}{1+r}\\\rightarrow{r}=\frac{1+|\tau|}{1-|\tau|}=\rho21+r1−∣τ∣=1→∣τ∣=1+r1−r→r=1−∣τ∣1+∣τ∣=ρ
对于切点B满足:∣τ∣+211+r=1→∣τ∣=r−11+r→r=1−∣τ∣1+∣τ∣=K|\tau|+2\frac{1}{1+r}=1\\\rightarrow|\tau|=\frac{r-1}{1+r}\\\rightarrow{r}=\frac{1-|\tau|}{1+|\tau|}=K∣τ∣+21+r1=1→∣τ∣=1+rr−1→r=1+∣τ∣1−∣τ∣=K
4.1.3.2 求带载无耗传输线的输入阻抗
步骤:
- 对终端负载进行归一化。
- 根据归一化结果在Smith圆图上绘制电阻圆和电抗圆,求归一化交点A。
- 延长OA与单位圆交于点B,B为电长刻度值
- 根据观察点距离负载端的位置,沿单位圆顺时针旋转动d/λd/\lambdad/λ刻度,到点C,此处ddd为传输线长度。
(4)这里也可以利用波长和传输距离对旋转角度进行计算:4πdλ4\pi\frac{d}{\lambda}4πλd,该转换关系可以由规律5推知。 - D点为同反射系数圆上对应的归一化输入阻抗。
- 将D点的阻抗反归一化即可得到输入阻抗
- 与D点中心对称的位置为归一化导纳
4.2 阻抗匹配
如上图所示,传输线特征阻抗为Z0Z_0Z0,无耗传输线相位常数为β\betaβ(传播常数jβj\betajβ),长度为lll。在源端,向源看去的的反射系数为:
在负载端,向负载看去的反射系数为:
取波源参考平面T,由T向负载望去,输入阻抗为:
由源端传递给负载的功率为:
式中电流取共轭的原因是与电压求实部和虚部的平方和。
功率计算公式为V2R\frac{V^2}{R}RV2在源端经过源端内阻ZSZ_SZS和传输线和负载输入电阻ZinZ_{in}Zin的分压。