1、吴志毅吴志毅“任务任务3 3 斯密斯圆图、斯密斯圆图、二端口网络、射频电路二端口网络、射频电路基本概念基本概念”史密斯圆图史密斯圆图 在射频电路设计、微波与天线工程中，常常遇到阻抗匹在射频电路设计、微波与天线工程中，常常遇到阻抗匹配与计算问题。利用公式完全可以计算，但计算过程复杂配与计算问题。利用公式完全可以计算，但计算过程复杂，很不方便。简化计算最有效方法是图解法。本节讨论的，很不方便。简化计算最有效方法是图解法。本节讨论的阻抗圆图就是其中的一种方法。阻抗圆图就是其中的一种方法。常用阻抗圆图有两种方法，一种是极坐标圆图，一种常用阻抗圆图有两种方法，一种是极坐标圆图，一种是直角坐标圆图。前者又
2、叫史密斯圆图，它在微波领域中是直角坐标圆图。前者又叫史密斯圆图，它在微波领域中有着非常广泛的应用。有着非常广泛的应用。 1.1.阻抗圆图阻抗圆图 斯密斯圆图斯密斯圆图(阻抗圆图阻抗圆图)由等反射系数圆族、等电阻圆由等反射系数圆族、等电阻圆族和等电抗圆族及等相位线圆族组成。为了使阻抗圆图适族和等电抗圆族及等相位线圆族组成。为了使阻抗圆图适合用于任意特定阻抗的传输线的计算，故圆图上的阻抗均合用于任意特定阻抗的传输线的计算，故圆图上的阻抗均采用归一化值。采用归一化值。(2)(2)等电阻圆族和等电抗圆族等电阻圆族和等电抗圆族 等电阻圆。将电阻与反射系数的关系在直角坐标等电阻圆。将电阻与反射系数的关系在
3、直角坐标系中画出来，可以得到等电阻圆图。系中画出来，可以得到等电阻圆图。等电阻圆图等电阻圆图(1)(1)等反射系数圆族等反射系数圆族 以反射系数的实部和虚部分别作为复平面的横坐标和纵坐标，以反射系数的实部和虚部分别作为复平面的横坐标和纵坐标，而反射系数沿传输线的变化在复平面上的轨迹是一个圆族而反射系数沿传输线的变化在复平面上的轨迹是一个圆族(最大圆最大圆的半径为的半径为1 1，最小圆的半径为零，最小圆的半径为零)。等反射系数圆族及其反射系数、波长及其相位标度等反射系数圆族及其反射系数、波长及其相位标度(2)(2)等电抗圆图。等电抗圆图。将电抗与反射系数的关系在直角坐标系中画出来，可以得到等电抗
4、将电抗与反射系数的关系在直角坐标系中画出来，可以得到等电抗圆图。圆图。等电抗圆图等电抗圆图（3 3）等）等线。线。是指反射系数的相位值，等是指反射系数的相位值，等线就是通过线就是通过原点的径向线簇。原点的径向线簇。=0=0在在uu正半轴上，逆时针正半轴上，逆时针为角度增加的方向，顺时针为角度减小的方向。为角度增加的方向，顺时针为角度减小的方向。的大小由大圆外标上的的大小由大圆外标上的“角度角度”数读取，也常数读取，也常用用“电长度电长度”读数代替角度读数。读数代替角度读数。（4 4）圆图的转向和电长度标尺）圆图的转向和电长度标尺对于无耗传输线来说，任意点的反射系数的模值是对于无耗传输线来说，任
5、意点的反射系数的模值是相等的，传输线上的位移在园图上表现为沿等相等的，传输线上的位移在园图上表现为沿等|圆圆转动。因此由已知转动。因此由已知z1z1点的参数去求解另一点点的参数去求解另一点z2z2的参数的参数时，要解决两个问题：一是沿等时，要解决两个问题：一是沿等|圆向哪个方向旋圆向哪个方向旋转（电流方向或负载方向）；二是转多少角度。转（电流方向或负载方向）；二是转多少角度。u 若若z2z2z2z2，即向源方向移动，即向源方向移动，z1z1参考面在等参考面在等|圆上对应顺时针转动。圆上对应顺时针转动。u 若若z2z1z2z1，即向负载方向移动，即向负载方向移动，z1z1产考面在产考面在等等|圆
6、上对应的点应逆时针转动。圆上对应的点应逆时针转动。旋转方向确认：旋转方向确认：(5)(5)阻抗圆图阻抗圆图 把等电阻圆族与等电抗圆族结合到同一把等电阻圆族与等电抗圆族结合到同一个圆内，每一个电阻圆与电抗圆的交点，都个圆内，每一个电阻圆与电抗圆的交点，都代表一个归一化输入阻抗值。若把等电阻圆代表一个归一化输入阻抗值。若把等电阻圆族与等电抗圆族结合到族与等电抗圆族结合到 复平面上，构成的图复平面上，构成的图形是一个简化的斯密斯圆图形是一个简化的斯密斯圆图斯密斯简化圆图斯密斯简化圆图 2.2.导纳圆图导纳圆图将阻抗圆图的复平面逆时针旋转将阻抗圆图的复平面逆时针旋转180180既得到了导纳圆图既得到了
7、导纳圆图导纳圆图导纳圆图阻抗圆图特性阻抗圆图特性二端口网络分析二端口网络分析1.1.二端口网络的含义二端口网络的含义在工程中，研究信号及能量的传输和信号变换时，经在工程中，研究信号及能量的传输和信号变换时，经常遇到两端口电路。常遇到两端口电路。(1)(1)端口。端口由一对端子构成，且满足端口条件：从端口。端口由一对端子构成，且满足端口条件：从一个端子流入的电流等于从另一个端子流出的电流，则一个端子流入的电流等于从另一个端子流出的电流，则这两个端子就构成一个端口。这两个端子就构成一个端口。(2)(2)二端口。当一个电路与外部电路通过两个端口连接二端口。当一个电路与外部电路通过两个端口连接时称此电
8、路为二端口网络。即含有两个端口的网络。时称此电路为二端口网络。即含有两个端口的网络。2.2.二端口网络参数二端口网络参数 微波网络理论是微波工程强有力的工具，主微波网络理论是微波工程强有力的工具，主要研究微波网络各端口的物理量之间的关系。网要研究微波网络各端口的物理量之间的关系。网络理论是一种非常普遍处理问题的方法，它把系络理论是一种非常普遍处理问题的方法，它把系统用一个由若干端口对外的未知网络表示。统用一个由若干端口对外的未知网络表示。 微波网络有不同的网络参量：阻抗参量微波网络有不同的网络参量：阻抗参量Z Z、导纳参、导纳参量量Y Y和和A A参量，反映的是参考面上电压与电流的关系；参量，
9、反映的是参考面上电压与电流的关系；散射参量散射参量S S、传输参量、传输参量T T反映的是参考面上归一化入射反映的是参考面上归一化入射波电压和归一化反射波电压之间的关系。波电压和归一化反射波电压之间的关系。在微波频率下，阻抗参量在微波频率下，阻抗参量Z Z、导纳参量、导纳参量Y Y和和A A参量不参量不能直接测量，所以引入散射参量能直接测量，所以引入散射参量S S和传输参量和传输参量T T。 利用利用S S参数，射频电路设计可以在避开不参数，射频电路设计可以在避开不现实的终端条件以及避免造成待测器件损坏现实的终端条件以及避免造成待测器件损坏的前提下，用两端口网络的分析方法来确定的前提下，用两端
10、口网络的分析方法来确定几乎所有射频器件的特征，故几乎所有射频器件的特征，故S S参量是微波网参量是微波网络中应用最多的一种主要参量。络中应用最多的一种主要参量。 3.3.二端口网络的连接二端口网络的连接 二端口连接方式有串联、并联、级联、串并联、并二端口连接方式有串联、并联、级联、串并联、并串联。串联。串联串联 并联并联级联级联 串并联串并联 并串联并串联 二端口网络连接方式二端口网络连接方式射频电路设计中几个基本概念射频电路设计中几个基本概念1.1.损耗与增益损耗与增益增益与损耗器件增益与损耗器件 在射频世界里没有比带宽更常用的词了。带宽是描在射频世界里没有比带宽更常用的词了。带宽是描述频率
11、范围的方法，它等于器件或应用中最高频率与最述频率范围的方法，它等于器件或应用中最高频率与最低频率的差值，所以需要两个频率值来定义带宽。比如低频率的差值，所以需要两个频率值来定义带宽。比如：一个器件能够容纳从：一个器件能够容纳从100MHz100MHz到到150MHz150MHz之间的所有频率之间的所有频率，那么他的带宽为，那么他的带宽为50MHz50MHz。2.2.带宽带宽 有时带宽也用百分比来表示，它等于实际带宽除以上有时带宽也用百分比来表示，它等于实际带宽除以上下频率的平均值。带宽与数据承载能力下频率的平均值。带宽与数据承载能力(数据速率数据速率)有直接有直接关系。无线系统的带宽越宽关系。
12、无线系统的带宽越宽(频率范围越大频率范围越大)，在一定时间，在一定时间内所承载的数据就越多，所以数据速率就越高。内所承载的数据就越多，所以数据速率就越高。倍频和十倍频：倍频和十倍频来源于对数算法，其中倍频和十倍频：倍频和十倍频来源于对数算法，其中倍频指两倍大，十倍频指十倍大。倍频指两倍大，十倍频指十倍大。3.3.宽带和窄带宽带和窄带 宽带和窄带的区分没有严格规定，器件的带宽越宽，宽带和窄带的区分没有严格规定，器件的带宽越宽，所容纳的频率越多，但是他的成本就越高，操作性能就越所容纳的频率越多，但是他的成本就越高，操作性能就越差。设计射频电路时，在容纳所有要求的频率情况下，要差。设计射频电路时，在容纳所有要求的频率情况下，要尽量使用带宽最窄的器件。例如，移动电话通讯时，从手尽量使用带宽最窄的器件。例如，移动电话通讯时，从手机终端到基站，频率覆盖范围为机终端到基站，频率覆盖范围为824MHz-849MHz824MHz-849MHz，最明智的，最明智的设计就是正好容纳这个频率范围，不要包含更多的频率。设计就是正好容纳这个频率范围，不要包含更多的频率。
