阻抗匹配中Smith圆图的巧妙使用

ADS-Smith圆图阻抗匹配调试经验总结1.前言：随着无线通信的发展，越来越多的芯片都集成了WiFi、蓝牙，甚至WiFi+蓝牙功能。

无线通信距离的远近在很大程度上取决于天线和射频匹配电路性能。

本文主要基于ADS和Smith圆图工具对实际产品的射频匹配电路进行总结和经验分享。

匹配知识简介阻抗匹配的目的就是实现功率的最大传输。

关于阻抗匹配的知识在很多书中都有介绍。

若找不到书籍资源，可以找我。

下图是很多无线产品中用到的天线+匹配电路。

如何利用ADS 和Smith圆图工具进行阻抗匹配是一个关键的问题。

1.矢量网络分析仪测量天线用矢量网络分析仪测量天线阻抗，S11、VSWR等参数。

保存为S1P文件。

注意：S1P文件保存后用Smith圆图工具打开，检查是否正确。

这一步很关键，关系到后面ADS的使用。

下图是Smith圆图工具，可网上下载，也可以找我要。

正确的格式：频率+S11实部+S11虚部。

错误的格式：频率+ S11 + S11 Angle当然，用Smith圆图工具也能进行阻抗匹配。

只要知道相应的规则，就很容易进行串联并联器件。

之所以用ADS，是因为ADS中有Tuning功能，可以手调器件参数。

好玩！！！1.ADS中新建工程。

S1P设置中选中你刚刚测试天线的S1P文件。

由于我的只需要并联一个电感，所有只设置了一个电感。

实际可以根据匹配的规则进行初步放置器件。

如下图，就是点击Tuning 按钮后，进行手调参数，可以快速看到S11 的变化。

注：砍掉L1后，点击仿真，可以看到用ADS打开测试的数据，S11，Smith圆图等。

1.如何串联并联器件？这一步很关键，根据测试结果。

如何进行匹配呢？下面是规则大招。

史密斯圆图的应用为了避免含有复数阻抗的枯燥乏味的复杂计算，还有一种更直观的看阻抗匹配的方式是史密斯圆图法（如下图）：通过史密斯图，可以让使用者迅速的得出在传输线上任意一点阻抗，电压反射系数，VSWR 等数据，简单方便，所以一直被广泛应用于电磁波研究的领域。

史密斯圆图中包括电阻圆（图中红色的，从右半边开始发散的圆）和电导圆（图中绿色的，从左半圆发散开的圆），而那些和电阻电导圆垂直相交的半圆则称为电抗圆，其中，中轴线以上的电抗圆为正电抗圆（表现为感性），而中轴线以下的为负电抗圆（表现为容性）。

沿着圆周顺时针方向是指朝着源端传输线变化，而逆时针方向是朝着负载端变化。

归一化的史密斯图上（直角坐标复平面）的点到圆心之间的距离就是该点的反射系数的大小，所以对于最好的匹配来说，要保证S11参数点在圆心，S21参数点在圆周上。

1．用史密斯图求VSWR我们知道，传输线上前向和后向的行波合成会形成驻波，其根本原因在于源端和负载端的阻抗不匹配。

我们可以定义一个称为电压驻波比(voltage standing-wave ratio, VSWR)的量度，来评价负载接在传输线上的不匹配程度。

VSWR定义为传输线上驻波电压最大值与最小值之比：对于匹配的传输线Vmax=Vmin, VSWR将为1。

VSWR也可以用和接受端反射系数的关系式来表达：对于完全匹配的传输线，反射系数为0，故而VSWR为1，但对于终端短路或开路，VSWR将为无穷大，因为这两种情况下的反射系数绝对值为1。

在史密斯图上表示：所以要计算VSWR,只需要在极坐标的史密斯图上以阻抗点到圆心的距离为半径作圆，与水平轴相交，则离极坐标圆点最远点坐标的大小即为电压驻波比的大小。

举个例子，假设传输线的阻抗为50Ω，负载的阻抗为50+j100Ω，则负载在史密斯圆上的归一化阻抗的大小为：1.0+j2.0Ω,按上述方法即可在图中求出VSWR的大小。

2．用史密斯图求导纳我们知道，如果将史密斯阻抗圆图旋转180度，就可以得到史密斯导纳圆图，根据这个关系，在阻抗圆图上也可以通过做图求出任一点的导纳。

阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图: 基本原理本文利用史密斯圆图作为RF 阻抗匹配的设计指南。

文中给出了反射系数、阻抗和导纳的作图范例，并用作图法设计了一个频率为60MHz 的匹配网络。

实践证明：史密斯圆图仍然是计算传输线阻抗的基本工具。

在处理RF 系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。

一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹配。

匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。

在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。

频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF 测试、并进行适当调谐。

需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。

有很多种阻抗匹配的方法，包括:• 计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。

设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。

设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。

另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。

• 手工计算: 这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。

• 经验: 只有在RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。

总之，它只适合于资深的专家。

•史密斯圆图: 本文要重点讨论的内容。

本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。

讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。

当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。

阻抗匹配与史密斯(Smith>圆图：基本原理摘要：本文利用史密斯圆图作为RF阻抗匹配的设计指南。

文中给出了反射系数、阻抗和导纳的作图范例，并给出了MAX2474工作在900MHz时匹配网络的作图范例。

事实证明，史密斯圆图仍然是确定传输线阻抗的基本工作。

在处理RF系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。

一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA>之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT>与天线之间的匹配、LNA/VCO输出与混频器输入之间的匹配。

匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。

在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻>对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。

频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF测试、并进行适当调谐。

需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。

有很多种阻抗匹配的方法，包括∙计算机仿真：由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。

设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。

设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。

另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。

∙手工计算：这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”>的计算公式、并且被处理的数据多为复数。

∙经验：只有在RF领域工作过多年的人才能使用这种方法。

总之，它只适合于资深的专家。

∙史密斯圆图：本文要重点讨论的内容。

本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。

讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。

当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。

阻抗匹配与史密斯（Smith）圆图：基本原理本文利用史密斯圆图作为 RF 阻抗匹配的设计指南。

文中给出了反射系 数、阻抗和导纳的作图范例，并用作图法设计了一个频率为 60MHz 的匹 配网络。

实践证明：史密斯圆图仍然是计算传输线阻抗的基本工具。

在处理 RF 系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级 联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。

一般情况下，需要进行匹配的电路包 括天线与低噪声放大器（LNA）之间的匹配、功率放大器输出（RFOUT）与天线之 间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹配。

匹配的目的是为了保证信号 或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。

在高频端，寄生元件（比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻）对匹 配网络具有明显的、不可预知的影响。

频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿 真已经远远不能满足要求， 为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进 行的 RF 测试、并进行适当调整。

需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目 标元件值。

有很多种阻抗匹配的方法，包括: 计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用 起来比较复杂。

设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。

设计人员还需要具 有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。

另外，除非计算机是专门为这个用途 制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。

手工计算: 这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长（“几公里”）的计算公式、 并且被处理的数据多为复数。

经验: 只有在 RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。

总之， 它只适合于资深的 专家。

史密斯圆图: 本文要重点讨论的内容。

本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识， 并且总结它在实际中的应 用方法。

讨论的主题包括参数的实际范例， 比如找出匹配网络元件的数值。

当然， 史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络， 还能帮助设计者优化 噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。

阻抗匹配调试
1.阻抗匹配要求（@1GHz）
Z t=77.1+j*4.2(Target Res)
Z L=44.52-j*22.03(Load Res)
图1 匹配网络
2.匹配工具
选用ADS里面的Smith Chart Utility阻抗匹配调试工具。

3
1
2
图2 阻抗匹配调试
步骤如下：
✓先将频点设置为1GHz,特性阻抗为Z0=50Ω。

Load设置为Z L=44.52-j*22.03，Source设置为Z S=77.1+j*4.2;
✓从Z L作为匹配的起点，分别串电容，并电感。

✓根据匹配的要求，需要匹配的网路为：
图3 匹配网络元件值
3.电路仿真验证
采用ADS仿真，仿真验证原理图如下：
图4 匹配后的阻抗仿真
将图4的元件值及Z L代入仿真网络，ADS量测S11参数，频率范围从30MHz~3GHz。

图5 仿真图
图6图5 匹配阻抗调试后的仿真图
通过仿真可以看出，匹配调试后的阻抗为77.761+j3.887，比较接近我们预期的值，有些许差异与我们仿真选取的频点差异以及采用元件模拟Z L 的精度有关。

freq (30.00MHz to 3.000GHz)
S (1,1)。

Smith圆图在天线阻抗匹配上的应用天线性能的好坏直接决定了所发射信号的强弱，在调试天线时，阻抗匹配、电压驻波比对天线的性能影响很大，在调试阻抗以及驻波比时，利用Smith圆图能够简单方便的提供帮助。

通过Smith圆图，我们能够迅速的得出在传输线上任意一点阻抗、电压反射系数、驻波比等数据。

图1-1Smith圆图如图1-1所示，Smith圆图中包括电阻圆(图中红色的，从右半边开始发散的圆)和电导圆(图中绿色的，从左半圆发散开的圆)，和电阻电导圆垂直相交的半圆则称为电抗圆，其中，中轴线以上的电抗圆为正电抗圆(表现为感性)，中轴线以下的为负电抗圆(表现为容性)。

一、利用Smith圆图进行阻抗匹配1、使用并联短截线的阻抗匹配我们可以通过改变短路的短截线的长度与它在传输线上的位置来进行传输网络的匹配，当达到匹配时，连接点的输入阻抗应正好等于线路的特征阻抗。

图2-1并联短截线的阻抗匹配假设传输线特征阻抗的导纳为Yin，无损耗传输线离负载d处的输入导纳Yd=Yin+jB（归一化导纳即为1+jb），输入导纳为Ystub=-jB的短截线接在M点，以使负载和传输线匹配。

在Smith圆图上的操作步骤：1.做出负载的阻抗点A，反向延长求出其导纳点B；2.将点B沿顺时针方向（朝着源端）转动，与r=1的圆交于点C和D；3.点D所在的电抗圆和圆周交点为F；4.分别读出各点对应的长度，B（aλ），C（bλ），F（kλ）；5.可以得出：负载至短截线连接点的最小距离d=bλ-aλ,短截线的长度S=kλ-0.25λ。

图2-2Smith圆图联短截线的阻抗匹配2、使用L-C电路的阻抗匹配在RF电路设计中，还经常用L-C电路来达到阻抗匹配的目的，通常的可以有如下8种匹配模型可供选择：图2-3L-C阻抗匹配电路这些模型可根据不同的情况合理选择，如果在低通情况下可选择串联电感的形式，而在高通时则要选择串联电容的形式。

使用电容电感器件进行阻抗匹配，在Smith圆图上的可以遵循下面四个规则：-沿着恒电阻圆顺时针走表示增加串联电感；-沿着恒电阻圆逆时针走表示增加串联电容；-沿着恒电导圆顺时针走表示增加并联电容；-沿着恒电导圆逆时针走表示增加并联电感。

摘要：本文利用史密斯圆图作为RF阻抗匹配的设计指南。

文中给出了反射系数、阻抗和导纳的作图范例，并给出了MAX2474工作在900MHz时匹配网络的作图范例。

事实证明，史密斯圆图仍然是确定传输线阻抗的基本工作。

在处置RF 系统的实际应用问题时，总会碰到一些超级困难的工作，对各部份级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。

一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与(LNA)之间的匹配、输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO输出与混频器输入之间的匹配。

匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。

在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。

频率在数十以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF测试、并进行适当调谐。

需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。

有很多种阻抗匹配的方法，包括计算机仿真：由于这种软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以利用起来比较复杂。

设计者必需熟悉用正确的格式输入众多的数据。

设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有效数据的技术。

另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，不然电路仿真软件不可能预装在计算机上。

手工计算：这是一种极为繁琐的方式，因为需要用到较长(“几千米”)的计算公式、而且被处置的数据多为复数。

经验：只有在RF领域工作过连年的人材能利用这种方式。

总之，它只适合于资深的专家。

史密斯圆图：本文要重点讨论的内容。

本文的主要目的是温习史密斯圆图的结构和背景知识，而且总结它在实际中的应用方式。

讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。

固然，史密斯圆图不仅能够为咱们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮忙设计者优化噪声系数，肯定品质因数的影响和进行稳定性分析。

图1. 阻抗和史密斯圆图基础基础知识在介绍史密斯圆图的利用之前，最好回顾一下RF环境下(大于100MHz) IC连线的电磁波传播现象。

如何用史密斯圆图进行阻抗匹配史密斯圆图简介史密夫图表（Smith chart，又称史密斯圆图）是在反射系散平面上标绘有归一化输入阻抗（或导纳）等值圆族的计算图。

是一款用于电机与电子工程学的图表，主要用于传输线的阻抗匹配上。

该图由三个圆系构成，用以在传输线和某些波导问题中利用图解法求解，以避免繁琐的运算。

一条传输线（transmission line）的电阻抗力（impedance）会随其长度而改变，要设计一套匹配（matching）的线路，需要通过不少繁复的计算程序，史密夫图表的特点便是省略一些计算程序。

阻抗匹配简介阻抗匹配（impedance matching）信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。

否则，便称为阻抗失配。

有时也直接叫做匹配或失配。

如何用史密斯圆图进行阻抗匹配史密斯圆图红色的代表阻抗圆，蓝色的代表导纳圆！先以红色线为例！圆中间水平线是纯阻抗线，如果有点落在该直线上，表示的是纯电阻！例如一个100欧的电阻，就在中间那条线上用红色标2.0的地方；15欧的电阻就落在中间红色标0.3的点上！水平线上方是感抗线，下方是容抗线；落在线上方的点，用电路表示，就是一个电阻串联一个电感，落在线下方的点，是一个电阻串联一个电容。

图上的圆表示等阻抗线，落在圆上的点阻抗都相等，向上的弧线表示等感抗线，向下的弧线表示等容抗线！可以看出是感是容，是高是低接着讲蓝色线。

因为导纳是阻抗的倒数，所以，很多概念都很相似。

中间的是电导线，图上的圆表示等电导圆，向上的是等电纳线，向下的是等电抗线！用。

阻抗匹配与史密斯(Smith>圆图：基本原理摘要：本文利用史密斯圆图作为RF阻抗匹配的设计指南。

文中给出了反射系数、阻抗和导纳的作图范例，并给出了MAX2474工作在900MHz时匹配网络的作图范例。

事实证明，史密斯圆图仍然是确定传输线阻抗的基本工作。

在处理RF系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。

一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA>之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT>与天线之间的匹配、LNA/VCO输出与混频器输入之间的匹配。

匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。

在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻>对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。

频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF测试、并进行适当调谐。

需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。

有很多种阻抗匹配的方法，包括∙计算机仿真：由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。

设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。

设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。

另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。

∙手工计算：这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”>的计算公式、并且被处理的数据多为复数。

∙经验：只有在RF领域工作过多年的人才能使用这种方法。

总之，它只适合于资深的专家。

∙史密斯圆图：本文要重点讨论的内容。

本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。

讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。

当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。

ADS-Smith圆图阻抗匹配调试经验总结1.前言：随着无线通信的发展，越来越多的芯片都集成了WiFi、蓝牙，甚至WiFi+蓝牙功能。

无线通信距离的远近在很大程度上取决于天线和射频匹配电路性能。

本文主要基于ADS和Smith圆图工具对实际产品的射频匹配电路进行总结和经验分享。

匹配知识简介阻抗匹配的目的就是实现功率的最大传输。

关于阻抗匹配的知识在很多书中都有介绍。

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下图是很多无线产品中用到的天线+匹配电路。

如何利用ADS 和Smith圆图工具进行阻抗匹配是一个关键的问题。

1.矢量网络分析仪测量天线用矢量网络分析仪测量天线阻抗，S11、VSWR等参数。

保存为S1P文件。

注意：S1P文件保存后用Smith圆图工具打开，检查是否正确。

这一步很关键，关系到后面ADS的使用。

下图是Smith圆图工具，可网上下载，也可以找我要。

正确的格式：频率+S11实部+S11虚部。

错误的格式：频率+ S11 + S11 Angle当然，用Smith圆图工具也能进行阻抗匹配。

只要知道相应的规则，就很容易进行串联并联器件。

之所以用ADS，是因为ADS中有Tuning功能，可以手调器件参数。

好玩！！！1.ADS中新建工程。

S1P设置中选中你刚刚测试天线的S1P文件。

由于我的只需要并联一个电感，所有只设置了一个电感。

实际可以根据匹配的规则进行初步放置器件。

如下图，就是点击Tuning 按钮后，进行手调参数，可以快速看到S11 的变化。

注：砍掉L1后，点击仿真，可以看到用ADS打开测试的数据，S11，Smith圆图等。

1.如何串联并联器件？这一步很关键，根据测试结果。

如何进行匹配呢？下面是规则大招。