史密斯圖(阻抗版本)
惠普 8720A矢量网络分析仪 ,测量结果显示在史密斯图上。
史密斯图 (英語:Smith chart )是一种用于电子工程 的图表,工程师可以用它解决传输线 和阻抗匹配 电路的相关问题。史密斯图可以将射频电路的多种参数显示在图像上,同时它也是一种诺谟图 ,即利用图像进行计算的工具。在手工计算时,它能简化许多繁杂的计算步骤。
史密斯图可以显示的电路参数包括阻抗 、导纳 、反射系数 、散射参数 (S参数)、等噪声圆、等增益圆、稳定圆等。人们通常使用单位圆之内的区域,但单位圆之外依然具有数学意义,且具有振荡器设计和稳定性分析等应用。
在计算机出现后,史密斯图的计算功能已经被软件取代,但由于它能将电路参数随频率的变化以图形化表示,远比表格直观,依然是十分有用的图表。因此,大多数射频电路分析软件都支持用史密斯图显示数据。除了最简单的阻抗表外,大多数测量仪器都可以在史密斯图上绘制测量结果。同时,對於就讀電磁學 、微波工程 及射頻電子學 的學生來說,在解決課本問題仍然很實用,至今仍是重要的教學用具。
历史
該圖表是由菲利普·黑格·史密斯 (Philip Hagar Smith )与水橋東作 独立[ 1] 发明。史密斯於1939年發明此图[ 2] [ 3] ,當時他在美國無線電公司 工作,曾說過,「在我能夠使用計算尺 的時候,我對以圖表方式來表達數學上的關聯很有興趣」。但日本無線電信公司 的水橋東作 在1937年所發表的論文 [ 4] 中就已提出這種圖表,比菲利普·史密斯早2年。因此在日本有主張此圖應改名為「水橋圖」或「水橋-史密斯圖」[ 5] [ 6] 。
概述
史密斯图的基本使用方法。电磁波顺着特性阻抗为
Z
0
{\displaystyle Z_{0}}
的传输线前进,并在末端遇到以一阻抗为
Z
L
{\displaystyle Z_{L}}
的负载(其归一化阻抗为z =Z L /Z 0 )。此时信号会产生反射,其反射系数为Γ。史密斯图上的任何一点同时表示阻抗值z (左图)和对应的反射系数Γ(右图)。两者的关系式为z =(1 + Γ)/(1 − Γ)。
史密斯图是对二维直角坐标系 的复平面 的数学变换。阻抗实部(电阻)为正的数映射在圆图之内,阻抗实部(电阻)为负的数映射在圆图之外。通常人们所关注的是圆图之内的区域,不考虑电阻为负数的情况。该数学变换的公式为
Γ Γ -->
=
Z
L
− − -->
Z
0
Z
L
+
Z
0
=
z
− − -->
1
z
+
1
{\displaystyle \Gamma ={\frac {Z_{L}-Z_{0}}{Z_{L}+Z_{0}}}={\frac {z-1}{z+1}}}
其中
z
=
Z
L
Z
0
{\displaystyle z={\frac {Z_{L}}{Z_{0}}}}
Γ Γ -->
{\displaystyle \Gamma }
代表其線路的反射係數 ,即S參數 裡的S11 。
Z
L
{\displaystyle Z_{L}}
是電路的負載阻抗 值。
Z
0
{\displaystyle Z_{0}}
是参考阻抗(又称系统阻抗),一般选择要研究的傳輸線的特性阻抗 值,通常为50Ω。
z
{\displaystyle z}
是归一化阻抗。换言之,我们将一电路的复阻抗
Z
L
{\displaystyle Z_{L}}
与参考阻抗
Z
0
{\displaystyle Z_{0}}
相除,使归一化阻抗为1,位于图表的原点。使用归一化阻抗的优点是,同一张史密斯图适用于特性阻抗不同的各种系统。
圖表中的圓形線代表阻抗的實數 值,即電阻 值,中間的橫線與向上和向下散出的線則代表阻抗的虛數 值,即由電容 或電感 在高頻下所產生的電抗 ,當中向上的是正數,为感性负载,向下的是負數,为容性负载。圖表最中間的點(1+j0)代表参考阻抗,即一個已阻抗匹配的電阻數值(
Z
L
=
Z
0
{\displaystyle Z_{L}=Z_{0}}
),同時其反射係數的值會是零。圖表的邊緣代表其反射係數的長度是1,即100%反射。在圖邊的數字代表反射係數的角度(0-180度)和波長 (由零至半個波長)。
有一些圖表是以導納 值來表示,把上述的阻抗值版本旋轉180度即可。
參考資料
參考書目
Field and Wave Electromagnetics, David K. Cheng, Addison Wesley, ISBN 0-201-52820-7