芯片测试-smith圆图

smith圆图

  • 💢smith圆图的故事💢
  • 💢smith圆图中的各部分来历💢
    • 💢公式推导💢
    • 💢等电阻圆特点💢
    • 💢等电抗圆💢
    • 💢等电抗圆特点💢
  • 💢smith圆图💢
    • 💢smith圆图表示阻抗💢
    • 💢smith圆图中串联元器件💢
  • 💢smith圆图导纳表示💢
    • 💢smith圆图导纳表示公式推导💢
    • 💢等电导圆和电纳圆特点💢
    • 💢smith圆图中并联元器件💢
  • 💢smith圆图进行阻抗匹配💢
    • 💢L型阻抗匹配💢
      • 💢区域1💢
      • 💢区域2💢
      • 💢区域3💢
      • 💢区域4💢
      • 💢smith圆图进行阻抗匹配举例💢
    • 💢匹配网络的选取💢
    • 💢T和π型阻抗匹配💢

💢smith圆图的故事💢

  • 🍈 阻抗是指器件或电路对流经它的给定频率的交流电流的抵抗能力。
  • 🍈 阻抗Z=R+jX,电抗部分又分为感抗和容抗,XL = ωL,XC= 1/ ωC,在直角坐标系中如何表示阻抗呢?
  • 🍈 例如Z=2+2j,如下图,如果将Z=200+1000j表示在同一个坐标系,是不现实的,横轴和纵轴都要延伸到特别长才行。

在这里插入图片描述

  • 🍈 如果将纵轴上下均向右弯曲至横轴,横轴负半轴去掉,形成一个圆形,短路点和开路点如图。
  • 🍈 圆心是50欧阻抗点。成为smith圆图。
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  • 🍈 在原来的直角坐标系中,与纵轴平行的线,电阻部分是一样的,在smith圆图上是等阻抗圆。
  • 🍈 在原来的直角坐标系中,与横轴平行的线,电抗部分是一样的,在smith圆图上是等电抗圆。
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💢smith圆图中的各部分来历💢

💢公式推导💢

  • 🍓 反射系数
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  • 🍓 归一化阻抗
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  • 🍓 将归一化阻抗带入反射系数公式
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  • 🍓 最终得到的方程是在复平面(Γr, Γi)上,以[r/(r + 1), 0]为圆心,半径为1/(1 + r)的圆,称为等电阻圆。
  • 🍓 例如,r = 1的圆,以(0.5, 0)为圆心,半径为0.5。它包含了代表反射零点的原点(0, 0) (负载与特性阻抗相匹配)。
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💢等电阻圆特点💢

  • 🍈 所有的圆周只有一个相同的,唯一的交点(1, 0)。
  • 🍈 代表0Ω、也就是没有电阻(r = 0)的圆是最大的圆。
  • 🍈 无限大的电阻对应的圆退化为一个点(1, 0)
  • 🍈 实际中没有负的电阻,如果出现负阻值,有可能产生振荡。

💢等电抗圆💢

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  • 🍌 最终得到的方程是在复平面(Γr, Γi)上圆心为(1, 1/x),半径1/x的圆。
    在这里插入图片描述

💢等电抗圆特点💢

  • 🍋 圆周上的点表示具有相同虚部x的阻抗。
  • 🍋 例如,x = 1的圆,圆以(1, 1)为圆心,半径为1。
  • 🍋 所有的圆(x为常数)都包括点(1, 0)。与等阻抗不同的是,x既可以是正数也可以是负数。这说明复平面下半部是其上半部的镜像。
  • 🍋 所有圆的圆心都在一条经过横轴上1点的垂直线上。

💢smith圆图💢

💢smith圆图表示阻抗💢

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💢smith圆图中串联元器件💢

  • 🍐 在直角坐标系中表示阻抗,当串联电感时,电抗增加,电阻不变,则点上移,转换到smith圆图上,就是在等电阻圆上顺时针旋转。
  • 🍐 在直角坐标系中表示阻抗,当串联电容时,电抗减小,电阻不变,则点下移,转换到smith圆图上,就是在等电阻圆上你时针旋转。
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💢smith圆图导纳表示💢

  • 🔥 导纳表示:Y = G + jB,其中G叫作元件的“电导”,B称“电纳”
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  • 🔥 Γ(y) = -Γ(z),可见,如果取定一个z值,就能通过将Γ的符号取反找到一个与(0, 0)的距离相等但在反方向的点。围绕原点旋转180°可以得到同样的结果。
    在这里插入图片描述
  • 🔥 阻抗圆图上的每一个点都可以通过以Γ复平面原点为中心旋转180°后得到与之对应的导纳点。于是,将整个阻抗圆图旋转180°就得到了导纳圆图。

💢smith圆图导纳表示公式推导💢

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💢等电导圆和电纳圆特点💢

  • 🥝 根据等电阻圆和等电抗圆旋转180度而来。
    在这里插入图片描述

💢smith圆图中并联元器件💢

  • 🍐 当并联电感时,电导不变,导纳减小,点沿着等电导圆逆时针旋转。
  • 🍐 当并联电容时,电导不变,导纳增大,点沿着等电导圆顺时针旋转。

💢smith圆图进行阻抗匹配💢

💢L型阻抗匹配💢

  • 🔥 第一个阻抗匹配元件,将阻抗匹配到50R的等电阻或者等电导圆上。
  • 🔥 第二个阻抗匹配元件,将阻抗匹配到smith圆图圆心。
  • 🔥 实际中电容元件更便宜一些,在同样的效果下,尽量少选择电感。

💢区域1💢

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💢区域2💢

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💢区域3💢

  • 🔥 区域3,低电阻,低电导区,用的都是电容。
    在这里插入图片描述区域3,低电阻,

💢区域4💢

  • 🔥 区域4,低电阻,低电导区,用的都是电感。
    在这里插入图片描述

💢smith圆图进行阻抗匹配举例💢

请设计一个L型匹配网络,在500MHz时将负载Z=10+10j欧姆匹配至50欧姆。
方案1

  • 🥝 归一化,z=0.2+0.2j,如果用的圆图不是归一化的,这一步省略。
  • 🥝 smith圆图标注,将TP1点进行图中的移动,TP2点从圆图上读取,Z(TP2)=10+20j,G(TP2)=0.02-0.04j,Z(TP3)=50,G(TP3)=0.02。
  • 🥝 使用圆图程序可以直接读出电容电感值。
  • 🥝 手动计算,从Z(TP1)=10+10j到Z(TP2)=10+20j,串联电抗为10j,2πfL=10,10/2πf=3.18nH,从G(TP2)=0.02-0.04j到G(TP3)=0.02,并联电容的电纳为0.04j,2πfc=0.04j,0.04/2πf=12.73pF。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    方案2
  • 🥝 归一化,z=0.2+0.2j,如果用的圆图不是归一化的,这一步省略。
  • 🥝 smith圆图标注,将TP1点进行图中的移动,TP2点从圆图上读取,Z(TP2)=10-20j,G(TP2)=0.02+0.04j,Z(TP3)=50,G(TP3)=0.02。
  • 🥝 使用圆图程序可以直接读出电容电感值。
  • 🥝 手动计算,从Z(TP1)=10+10j到Z(TP2)=10-20j,串联电抗为-30j,1/2πfC=30,C=10.6pF,从G(TP2)=0.02+0.04j到G(TP3)=0.02,并联电感的电纳为-0.04j,1/2πfL=0.04,L=7.96nH。
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    在这里插入图片描述
    已知源阻抗为Zs=50+25jΩ,负载阻抗为Zin=25-50jΩ,本征阻抗Z0=50Ω,工作频率为2GHz,采用L型匹配网络实现功率最大传输,求所有可能得匹配方式,并确定元器件的值。
  • 🥝 归一化,如果用的圆图不是归一化的,这一步省略。
  • 🥝 要求实现功率最大传输,从Zs匹配到Zin*,共轭匹配,或者反向也可以。
  • 🥝 smith圆图标注Zs和Zin*,并画出过这两点的等电阻圆和等电导圆。找出电阻圆和电导圆的4个交点。
  • 🥝 每一个交点都能确定一种L型的构造。例如经过A点的网络为从Zs沿着等电导圆逆时针旋转到A点,然后从A点沿着等电阻圆顺时针旋转到Zin*,其它的类似。
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A点方案

  • 🥝 从Zs(TP1) = 50+25j,G(TP1) = 0.016-0.008j,Zin共轭 (TP3) = 25+50j,G(TP3) = 0.008-0.016j,A点(TP2)到Zin*是沿着等电阻圆的,所以A的阻抗实部是25,从Zs到A点,沿着等电导圆图的,所以A的电抗实部不变,是0.016。
  • 🥝 设A(TP2)点的阻抗为Z(TP2)=25+xj,则A(TP2)点的导纳为1/25+xj=(25-xj)/(625+x2), 则25/(625+x2)=0.016,则x=30.62。
  • 🥝 从Zs(TP1) = 50+25j,G(TP1) = 0.016-0.008j到A(TP2),Z(TP2) = 25+30.62j,G(TP2) = 0.016-0.0196j,则电纳变化(-0.0196+0.008)j=-0.0116j,1/2πfL=0.0116j,L=1/(0.011623.1421e9)=6.86nH。
  • 🥝 Z(TP2) = 25+30.62j,G(TP2) = 0.016-0.0196j到Zin共轭 (TP3) = 25+50j,G(TP3) = 0.008-0.016j,则电抗变化(50-30.62)j=19.38j,2πfL=19.38,L=19.38/(23.142*1e9)=1.543nH。
  • 🥝 以上元器件值也可以从smith圆图中直接读取。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

💢匹配网络的选取💢

  • 🍍 是否需要提供直流地。
  • 🍍 是否需要隔直。
  • 🍍 是否需要某种效果的滤波。
  • 🍍 设计成本和可靠性。
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💢T和π型阻抗匹配💢

  • 🍐 三个元器件可以有更多的元器件选择值,实际工程上的电容电感值有限制。L型限制较多。
  • 🍐 可以选择更好的Q值,Q在圆图上的表示如下。
  • 🍐 可以实现为高通,低通,以及带通的类型。
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