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实用的阻抗圆图软件

2013年09月01日 ⁄ 综合 ⁄ 共 3677字 ⁄ 字号 评论关闭
 

    史密斯图(阻抗圆图)是一种在甚高频和超高频电路设计时有效地选择计算匹配阻抗的工具。通过简洁的作图,代替了复杂的复数计算,使得复阻抗的匹配计算简单明了,易学易会,是高频领域工程师的有效工具。在国外的无线电设计领域,史密斯图已获得了广泛的应用。本史密斯图CAD软件,在设计时考虑到大多数工程技术人员将其作为操作方便的工具来使用,而无须关注许多与设计无关的项目,故在与计算机环境相关的结构上采取了满足一般文件操作的方式,以达到实用简单的目的,确实起到工具的作用。这是笔者在数年前用VB开发的应用软件,虽然当时没有推向市场,但作为一种工具仍不失其实用性,在这里介绍一下。

史密斯图的简要说明

史密斯图的构成如图1


   

 

    一个标准的史密斯图,既可以代表复阻抗又可以代表复电纳。两种概念图在一个图上体现出来。
    对复阻抗图来讲,图中的横轴代表实数部的电阻R,横轴的左端代表0电阻,从左至右非线性增加至代表无穷大电阻的右端,为一簇与右端点相切的恒电阻圆组成;图的上半部圆弧代表虚数部的感抗,顺时针方向由0增至无穷大(非线性),为一簇与右端点相切的方向向上的恒电感圆弧组成;图的下半部圆弧代表虚数部的容抗,逆时针方向由0增至无穷大(非线性),为一簇与右端点相切的方向向下的恒电容圆弧组成。

    对复电纳图来讲,图中的横轴代表实数部的电导G,横轴的左端代表0电导,在电路中0电导代表开路状态,从左至右非线性增加至代表无穷大电导的右端,无穷大电导代表短路状态,在图中为一簇与右端点相切的恒电导圆组成;图的上半部圆弧代表虚数部的容纳,顺时针方向由0增至无穷大(非线性),为一簇与右端点相切的方向向上的恒容纳圆弧组成;图的下半部圆弧代表虚数部的感纳,逆时针方向由0增至无穷大(非线性),为一簇与右端点相切的方向向下的恒感纳圆弧组成。
    图的最外圈的刻度代表1/2波长传输线波距的刻度值,按方向(顺时针方向对源和逆时针方向对负载)刻度值互补。次外圈的刻度代表反射系数角(另还有衰减角)。在传输线匹配时要用到它们。

    在图中,以图中心为圆心的圆代表一定驻波比的驻波比圆,其中最外圈圆的驻波比是无穷大,图中心点驻波比是1
    本史密斯图主要由图、输入、变换输出、平衡尺调整、辅助调整、显示匹配电路框及文件操作等部分组成。
各部分的简要功能如下:
    输入框:输入被匹配对象的实部值和虚部值。
    阻抗串联:作图时,被匹配对象的起始点采取阻抗串联方式
    电纳并联:作图时,被匹配对象的起始点采取电纳并联方式
    R
G:输入实部的基准相对值
    X
B:输入虚部的基准相对值
    恢复1:重新选择输入方式时用

    变换输出框:对被匹配阻抗进行等效变换。
    串到并:选择串联阻抗到并联电纳的变换方式
    并到串:选择并联电纳到串联阻抗的变换方式
    G
R:显示变换后的等效电阻或电导值
    B
X:显示变换后的等效电纳或电抗值
    进行变换:阻抗与电纳自动进行等效变换的命令按钮
    恢复2:使变换输出框重新开始
    平衡尺调整框:增减电抗或电纳,在恒1圆上找出对应等效变换点。
    匹配方式1:起始点位于右半圆时请选择此匹配方式
    匹配方式2:起始点位于左半圆时请选择此匹配方式(无需等效变换)
    平衡尺角度调整:调整平衡尺的角度,在恒1圆上找出对应等效变换点
    恢复3:使平衡尺调整过程重新开始
    辅助调整框:根据以上条件,在图上显著画出应匹配的电抗或电纳,使匹配后的总阻抗虚部为0
    弧1起始点位置:将应匹配的电抗或电纳的起始点调到变换后的点上
    弧1终点调整:调节弧1长度(其长度代表一部分应匹配的电抗或电纳的相对值)
    弧2终点调整:调节弧2长度(其长度代表另一部分应匹配的电抗或电纳的相对值)
    辅助X1B1调整:为作图明了起见,上半圆的中间电抗或电纳的显示调整
    辅助X2B2调整:为作图明了起见,下半圆的中间电抗或电纳的显示调整
    显示匹配电路框:显示出匹配后的阻抗网络图。
    显示匹配电路图:显示匹配后的阻抗网络图的命令按钮
文件操作部分:对所作图文件进行读、写保存、打印及联机帮助操作。
    打开文件:打开已做的史密斯图文件(扩展名为.frm
    保存文件:保存已做的史密斯图文件(扩展名为.frm
    印刷:印刷已做的史密斯图
    帮助:打开联机帮助文件
    版本信息:提供本软件的版本信息
    结束:史密斯图终了的命令按钮

史密斯图的使用方法

    按起始点在图右半部和图左半部的不同,使用方法分为俩种。
    1:
起始点位于图右半部的情况(匹配方式1):
      现假定为容纳和电导并联的方式来说明(此时容纳和电导已取相对值,例B=1G=3
    第一步:在输入框内,选择电纳并联方式,输入电导G=3和容纳B=1。在图中出现红色的G=3的电导圆和B=1的容纳圆弧,其交叉点为输入起始点。
    第二步:在变换输出框内,选择并到串变换方式,按下进行变换命令按钮,自动表示出变换后的R=0.3X=-0.1的等效变换值;同时在图中表现出蓝色的R=0.3的电阻圆和X=-0.1的容抗圆弧,其交叉点为等效变换输出点。

    第三步:在平衡尺调整框内,选择匹配方式1。然后调整平衡尺的角度,此时在图中会出现一个以图中心为对称的黑色的粗线,既是平衡尺,平衡尺角度可调,且其左端总是位于变换后的R=0.3的恒阻圆上。顺时针调整角度使得平衡尺右端刚好位于恒1圆上为止,此时平衡尺调整过程结束。
    第四步:在辅助调整框内,调整弧1起始点位置的大小,使弧1的起始点(粗黑点)沿R=0.3恒阻圆出现在变换后的交叉点为止。
    第五步:在辅助调整框内,调整弧1终点调整的大小,使黑粗线的弧1的终点恰到平衡尺的左端点为止。
    第六步:在辅助调整框内,调整弧2终点调整的大小,使深绿色弧2的终点(弧2的起点在图中心,无须调整)恰到恒1圆上的平衡尺右端点为止。

    第七步:在辅助调整框内,根据平衡尺左端在R=0.3恒阻圆的位置上对应的电抗值的大小(可从电抗刻度上读出),在辅助X1B1框输入该值,此时,会有一个绿色电抗圆弧出现,该电抗圆弧在外圈的位置应和辅助X1B1调整的数值一致。
    第八步:在辅助调整框内,根据平衡尺右端在恒1圆的位置上对应的电纳值的大小(可从电纳刻度上读出),在辅助X2B2框输入该值,此时,会有另一个绿色电纳圆弧出现,该电纳圆弧在外圈的位置应和辅助X2B2调整的数值一致。
    第九步:按下图下部的显示匹配电路图命令按钮,按钮上方的小框内将自动显示出整个匹配阻抗网络图和各元件相对值的大小。

至此匹配方式1过程结束。

 

   

 

2:起始点位于图左半部的情况(匹配方式2):
    现假定为电阻和感抗串联的方式来说明(此时电阻和感抗已取相对值,例R=0.1X=0.2
    第一步:在输入框内,选择阻抗串联方式,输入电阻R=0.1和感抗X=0.2。在图中出现红色的R=0.1的电阻圆和X=0.2的感抗圆弧,其交叉点为输入起始点。
    第二步:在变换输出框内,选择串到并变换方式,按下进行变换命令按钮,自动表示出变换后的G=2B=0.4的等效变换值;同时在图中表现出蓝色的G=2的电导圆和B=0.4的感纳圆弧,其交叉点为等效变换输出点。
    第三步:在平衡尺调整框内,选择匹配方式2。然后调整平衡尺的角度,此时在图中会出现一个以图中心为对称的黑色的粗线,既是平衡尺,平衡尺角度可调,且其左端总是位于未变换前的R=0.1的恒阻圆上。顺时针调整角度使得平衡尺右端刚好位于恒1圆上为止,此时平衡尺调整过程结束。

    第四步:在辅助调整框内,调整弧1起始点位置的大小,使弧1的起始点(粗黑点)沿R=0.1恒阻圆出现在未变换前的交叉点为止。
    第五步:在辅助调整框内,调整弧1终点调整的大小,使黑粗线的弧1的终点恰到平衡尺的左端点为止。
    第六步:在辅助调整框内,调整弧2终点调整的大小,使深绿色弧2的终点(弧2的起点在图中心,无须调整)恰到恒1圆上的平衡尺右端点为止。
    第七步:在辅助调整框内,根据平衡尺左端在R=0.1恒阻圆的位置上对应的电抗值的大小(可从电抗刻度上读出),在辅助X1B1框输入该值,此时,会有一个绿色电抗圆弧出现,该电抗圆弧在外圈的位置应和辅助X1B1调整的数值一致。

    第八步:在辅助调整框内,根据平衡尺右端在恒1圆的位置上对应的电纳值的大小(可从电纳刻度上读出),在辅助X1B1框输入该值输入该值,此时,会有另一个绿色电纳圆弧出现,该电纳圆弧在外圈的位置应和辅助X2B2调整的数值一致。
    第九步:按下图下部的显示匹配电路图命令按钮,按钮上方的小框内将自动显示出整个匹配阻抗网络图和各元件相对值的大小。
至此匹配方式2过程结束。

 

 

传输线消除驻波时长度和接点的匹配(待)

 

 

 

史密斯图的注意事项

串联元件的单位必须使用欧姆;并联元件的单位必须使用西门子

目前可应用在2000以下系统.

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