阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图基本原理

史密斯圆图的原理及应用一、史密斯圆图的概述史密斯圆图（Smith Chart）是一种常用的电路设计工具，广泛应用于微波电路的设计与分析。

它可以通过坐标变换的方式将复抗匹配器的阻抗表示在一个圆图上，方便工程师快速计算和优化电路。

二、史密斯圆图的原理史密斯圆图的构建基于复平面的坐标转换技术，将复抗匹配器的阻抗表示在一个单位圆上。

具体步骤如下：1.将复抗匹配器的阻抗表示为复平面上的点，以阻抗的实部和虚部作为横纵坐标。

2.将复抗匹配器的阻抗归一化到一个标准的单位圆上，使得阻抗归一化到圆上的点表示为单位圆上的点。

3.在单位圆上绘制一系列等效电阻德曼圆，并标记常用的阻抗值。

这些等效电阻德曼圆的半径是固定的，通过变换得到的阻抗点在不同等效电阻德曼圆上的位置。

4.通过在复平面上作圆的平移和旋转操作，将复抗匹配器的阻抗点转换成单位圆上的点。

5.将复抗匹配器转换后的阻抗点与等效电阻德曼圆上的点连接，得到史密斯圆图。

三、史密斯圆图的应用1. 阻抗匹配•利用史密斯圆图可以方便地进行阻抗匹配的计算和设计。

通过在史密斯圆图上移动阻抗点，可以得到与之匹配的负载阻抗或源阻抗。

工程师可以根据需要，选择合适的匹配器或变换线来实现阻抗的最大传输。

2. 反射系数的计算•史密斯圆图也可以方便地计算反射系数。

通过在史密斯圆图上读取阻抗点对应的反射系数，工程师可以快速了解电路中的反射情况，并根据需要进行相应的优化调整。

3. 变换线设计•史密斯圆图可以帮助工程师设计不同类型的变换线，如电阻性变换线、电容性变换线和电感性变换线。

通过在史密斯圆图上进行阻抗点的变换，可以得到满足特定要求的变换线参数。

4. 频率扫描分析•在频率扫描分析中，史密斯圆图可以帮助工程师分析电路在不同频率下的阻抗变化情况。

通过在史密斯圆图上绘制多个频率下的阻抗点，可以得到电路的频率响应特性。

5. 负载匹配•史密斯圆图也可以应用于负载匹配。

通过在史密斯圆图上绘制负载阻抗曲线和源阻抗曲线，可以找到使得负载与源之间产生最小干扰的最佳匹配点。

一、Smith圆图概述Smith圆图（Smith chart）是用来分析传输线匹配问题的有效方法。

它具有概念明晰、求解直观、精度高等特点，因而被广泛应用于射频工程中分析传输线问题。

高频与微波电路设计中，最基本且重要的课题为阻抗匹配。

透过阻抗匹配的运用与设计，可以使信号有效率的由电源端传送到负载端。

现阶段，阻抗匹配须借重史密斯图的运用才能快速、有效的达成。

随着时间的流转，阻抗匹配的方式也由过去在史密斯图上以手绘计算结果，转而经由计算机化的史密斯图达成，其优点在于：(1)免除复杂计算过程中可能产生的人为错误，(2)透过计算机化史密斯图的运用可以进一步达到宽频带阻抗匹配的目的。

电子SMITH圆图软件能将计算结果以图形和数据并行输出，处理包括复数的矩阵运算。

且拥有良好的用户界面以及函数本身会绘制图形、自动选取坐标刻度等优点。

本设计即是利用vb6.0针对阻抗匹配设计的计算机化史密斯图。

其优点在于图面功能非常清楚，并且运用可视化的安排，使匹配电路直接显示，使设计者可以轻松的了解如何进行阻抗匹配工作也同时可以观察加入各项组件后的输入阻抗变化情形。

二、Smith圆图结构阻抗圆导纳圆阻抗圆导纳圆反射系数圆软件界面电抗圆电阻圆三、Smith圆图基本原理史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。

正确的使用它，可以在不作任何计算的前提下得到一个表面上看非常复杂的系统的匹配阻抗，唯一需要作的就是沿着圆周线读取并跟踪数据。

史密斯圆图是反射系数(伽马，以符号Γ表示)的极座标图。

反射系数也可以从数学上定义为单端口散射参数，即s11。

史密斯圆图是通过验证阻抗匹配的负载产生的。

这里我们不直接考虑阻抗，而是用反射系数ΓL，反射系数可以反映负载的特性(如导纳、增益、跨导)，在处理RF频率的问题时ΓL更加有用。

我们知道反射系数定义为反射波电压与入射波电压之比：图3. 负载阻抗负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。

反射系数的表达式定义为：由于阻抗是复数，反射系数也是复数。

阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图：基本原理欧阳家百（2021.03.07）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。

如何利用史密斯圆图匹配阻抗（教程）先上张主角 SMITCH圆图！！
先来点基础的东西。

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！！
看图好点
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！
转入正题：
用该图进行阻抗匹配计算的基本原则是：
是感要补容，是容要加感，是高阻要想办法往低走，是低阻要想办法抬高。

无论在任何位置，均要向50欧（中点）靠拢。

进行匹配时候，在等阻抗圆以及等电导圆上进行换算。

下图表示的是变化趋势！
以图上B点为例，如何进行阻抗匹配！！
B点所在位置为40+50j，
先顺着等电导圆，运动到B1点，再顺着等阻抗圆，运行到终点（50欧）。

按照上贴的运动规律，电路先并电容，再串电感。

由此完成阻抗匹配。

匹配方法讲完了，具体数值可通过RFSIM99计算！！。

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。

smithchart史密斯圆图（个人总结）史密斯圆图(Smith chart）是一款用于电机与电子工程学的圆图，主要用于传输线的阻抗匹配上。

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，史密斯圆图的特点便是省却一些计算程序。

史密斯圆图的基本在于以下的算式：Γ= (Z - 1)/(Z+ 1)Γ代表其线路的反射系数(reflection coefficient)，即S-parameter里的S11，Z是归一负载值，即ZL / Z0。

当中，ZL是线路的负载值Z0是传输线的特征阻抗值，通常会使用50Ω。

圆图中的横坐标代表反射系数的实部，纵坐标代表虚部。

圆形线代表等电阻圆，每个圆的圆心为1/(R+1),半径为R/(R+1).R为该圆上的点的电阻值。

中间的横线与向上和向下散出的线则代表阻抗的虚数值，即等电抗圆，圆心为1/X,半径为1/X.由于反射系数是小于等于1的，所以在等电抗圆落在单位圆以外的部分没有意义。

当中向上发散的是正数，向下发散的是负数。

圆图最中间的点(Z=1+j0, Γ=0)代表一个已匹配(matched)的电阻数值(此ZL=Z0，即Z＝1)，同时其反射系数的值会是零。

圆图的边缘代表其反射系数的幅度是1，即100%反射。

在图边的数字代表反射系数的角度(0-180度)。

有一些圆图是以导纳值(admittance)来表示，把上述的阻抗值版本旋转180度即可。

圆图中的每一点代表在该点阻抗下的反射系数。

该电的阻抗实部可以从该电所在的等电阻圆读出，虚部可以从该点所在的等电抗圆读出。

同时，该点到原点的距离为反射系数的绝对值，到原点的角度为反射系数的相位。

由反射系数可以得到电压驻波比和回波损耗。

VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Γ|).Ploss＝10lg|Γ|2=20lg|Γ|关于阻抗匹配的应用：把阻抗圆图与导纳圆图合并使用，可以把任意阻抗点通过沿等电阻圆，等电抗圆，等电纳圆和等电导圆移动而匹配到原点（即阻抗匹配点）上。