Foxiss Диаграмма Смита в анализаторе, чтобы получить максимальную отдачу от векторного анализатора цепей (VNA), важно быть знакомым с методом графического представления, известным как диаграмма Смита.
Начнём знакомство с объяснения того, как работает диаграмма Смита, а затем перейдём к демонстрации того, как VNA можно использовать для выполнения некоторых базовых задач. Типичным применением является проектирование антенн и устройств для их питания и согласования с передатчиком. На рисунке показывает базовую структуру диаграммы Смита.
Хотя это может выглядеть несколько устрашающе, основная концепция проста: комплексное сопротивление (импеданс, содержащее как активную/резистивную, так и реактивную составляющие) может быть отображено в круговое пространство, где горизонтальная ось представляет сопротивление (активную часть), а внешняя окружность представляет реактивное сопротивление (мнимую часть).
Положительные значения реактивного сопротивления (индуктивное сопротивление) располагаются вдоль верхней полуокружности, тогда как отрицательные значения реактивного сопротивления (ёмкостное сопротивление) соответствуют нижней полуокружности. Мнимые (реактивные) компоненты обозначаются буквой j (вместо i, используемой математиками), знак которой может быть положительным или отрицательным в зависимости от того, является ли реактивное сопротивление индуктивным или ёмкостным.
Некоторые фундаментальные компоненты показаны вместе с их представлением на диаграмме Смита на рисунке.
Чисто активное сопротивление, равное характеристическому импедансу системы, показано на рисунке (a), в то время как соединения короткого замыкания и разомкнутой цепи показаны соответственно на рисунке (b) и (c).
Чистая индуктивная и ёмкостная составляющая представлены точками на окружности, как показано на рисунке (d) и (e). Поскольку их реактивное сопротивление изменяется с частотой, они показаны в виде линий, а не точек, причём стрелка на линии указывает направление увеличения частоты.
Наконец, на рисунке (f) показано последовательное соединение чистой индуктивности и ёмкости. Обратите внимание, что сопротивление этой комбинации будет равно нулю на частоте резонанса f0. Это резонансная частота, на которой индуктивное и ёмкостное сопротивления становятся равными по величине, но противоположными по знаку и взаимно компенсируют друг друга.
Диаграмма Смита в анализаторе j-обозначение
Если вы не знакомы с j-обозначением, просто запомните, что j используется для обозначения реактивной части сопротивления (j = √-1). Если вас не совсем устраивает понятие «мнимых» чисел, просто запомните, что когда знак j- положительный, компонент является индуктивным, и, наоборот, когда знак j- отрицательный, компонент является ёмкостным.
Все реальные ВЧ-компоненты и антенны обладают комплексным сопротивлением, содержащим как активное, так и реактивное сопротивление, и поэтому могут быть представлены с использованием j-обозначения. Важно отметить, что комплексное сопротивление изменяется с частотой из-за изменения значений реактивного сопротивления.
Рассмотрим случай компонента, который можно представить как сопротивление 50 Ом, соединённое последовательно с индуктивностью 100 nH. На частоте 100 МГц реактивное сопротивление катушки индуктивности составит приблизительно 63 Ом, и компонент будет иметь импеданс, который можно выразить как (50 + j63) Ом. На частоте 140 МГц индуктивное реактивное сопротивление компонента возрастёт до 88 Ом, поэтому импеданс будет равен (50 + j88) Ом.
Соответствующие значения импеданса для сопротивления 50 Ом, соединённого последовательно с конденсатором 20 пФ, будут равны (50 — j80) Ом на частоте 100 МГц и ( (50 — j57) Ом на частоте 140 МГц.
Мы кратко упоминали о необходимости нормировки импедансов в нашем обсуждении VNA. Чтобы учесть любое заданное значение характеристического импеданса, значения, отображаемые на диаграмме Смита, должны быть сначала нормированы путём простого деления активной и реактивной частей на значение характеристического импеданса.
Так, например, импеданс (50 + j25) Ом будет отображаться как (1 + j0.5) Ом. И наоборот, импеданс (50 — j25) Ом будет нормирован к (1 — j0.5) Ом. Эти сопряжённые точки показаны на рисунке ниже.
Коэффициент стоячей волны (КСВ)
Коэффициент стоячей волны можно легко отобразить на диаграмме Смита, наложив на диаграмму окружности постоянного КСВ, как показано на рисунке.
Обратите внимание, что значение КСВ, равное единице, соответствует окружности нулевого радиуса (т.е. точке в самом центре диаграммы Смита), в то время как бесконечный КСВ соответствует внешней границе диаграммы.
При использовании диаграмма Смита в анализаторе как инструмента для исследования согласования, разработчик ВЧ-устройств неизменно стремится к тому, чтобы импедансы нагрузки были как можно ближе к центру диаграммы Смита. Возможность наблюдать все эти процессы в реальном времени делает настройку по-настоящему простой!
Графики зависимости импеданса от частоты
Диаграммы Смита часто используются для визуализации поведения антенн и устройств в диапазоне частот. На рисунке ниже показан пример анализа компонента, в котором нормированный импеданс изменяется от (0.23 — j0.65) Ом до (0.75 + j0.41) Ом} в диапазоне частот от 110 МГц до 135 МГц.
Обратите внимание, как антенна становится чисто активной на частоте 120 МГц и как КСВ антенны опускается ниже двух выше 130 МГц.
Недорогой векторный анализатор цепей может обеспечить быструю проверку характеристик антенны и её фидера. На рисунке показаны некоторые типичные результаты анализа четвертьволновой антенны на 130 МГц в 50-омной системе. Развёртка частоты анализатора была установлена от 120 МГц до 135 МГц с маркерами, отображаемыми на частотах 120 МГц, 125 МГц и 130 МГц.
Из рисунка мы можем быстро определить, что:
- КСВ антенны меньше 2 во всём диапазоне частот;
- Антенна является чисто активной на частотах 123 МГц и 133 МГц;
- Наименьший КСВ (приблизительно 1,6) достигается на частоте 130,5 МГц, наилучшее согласование с 50-омной системой получается на этой частоте.
- Вот так просто можно по диаграмме Смита определять настройку антенно фидерной системы передающей аппаратуры.
