概述

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，天線阻抗匹配是確保信號(hào)高效傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。阻抗失配不僅會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射、功率損耗，還可能影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。史密斯圓圖（Smith Chart）作為一種經(jīng)典的圖形化工具，憑借其直觀、高效的特點(diǎn)，成為射頻工程師調(diào)試天線阻抗匹配的利器。它能夠?qū)?fù)雜的復(fù)數(shù)阻抗變換過程可視化，幫助工程師快速完成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

本文將介紹如何利用史密斯圓圖分析和調(diào)整天線阻抗，涵蓋基礎(chǔ)理論、實(shí)際操作步驟，配合鼎陽的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為工程師提供天線阻抗匹配測(cè)試方案。

圖片1 鼎陽SNA5008X-E矢網(wǎng) & 史密斯圓圖

01史密斯原圖

史密斯圓圖的核心組成部分之一是阻抗圓（Impedance Circles），它直觀地表示歸一化阻抗（Z/Z?）部（電阻分量）和虛部（電抗分量）的變化規(guī)律。阻抗圓由一系列等電阻圓（ResistanceCircles）和等電抗圓（Reactance Circles）構(gòu)成，共同描繪出阻抗在復(fù)平面上的分布。圖2中內(nèi)切于史密斯圓圖右側(cè)開路點(diǎn)的一系列圓即是電阻圓，而由開路點(diǎn)發(fā)散出去的一系列弧線則是電抗圓。下文中串聯(lián)元器件來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配便是依托于電阻圓。

史密斯圓圖不僅可以表示阻抗（Z），還可以通過導(dǎo)納（Y = 1/Z）的形式進(jìn)行分析。導(dǎo)納（Admittance Circles）是阻抗圓的“對(duì)偶”表示，由等電導(dǎo)圓（Conductance Circles）和等電納圓（Susceptance Circles）構(gòu)成。圖3中內(nèi)切于史密斯圓圖左側(cè)短路點(diǎn)的一系列圓即是電導(dǎo)圓，而由短路點(diǎn)發(fā)散出去的一系列弧線則是電納圓。下文中提過并聯(lián)元器件進(jìn)行阻抗匹配便是依托于電導(dǎo)圓實(shí)現(xiàn)的。

圖片2 史密斯圓圖阻抗圓

圖片3 史密斯圓圖導(dǎo)納圓

史密斯圓圖中，阻抗匹配的關(guān)鍵在于理解電抗（感性或容性）的變化規(guī)律，以及如何通過串聯(lián)或并聯(lián)元件調(diào)整阻抗?！吧细邢氯?，左并右串”這一口訣總結(jié)了史密斯圓圖上阻抗變化的直接規(guī)律，幫助工程師快速判斷匹配策略。

“上感下容”，上半圓（X>0）代表感性阻抗（+jX），即阻抗的虛部為正，如電感引入的感抗。下半圓（X<0）代表容性阻抗（-jX），即阻抗的虛部為負(fù)，如電容引入的容抗。根據(jù)這點(diǎn)，在做阻抗匹配的時(shí)候，若目標(biāo)阻抗點(diǎn)位于上半圓，通常需要減少感抗或增加容抗（如并聯(lián)電容或串聯(lián)電容）；若位于下半圓，則需減少容抗或增加感抗（如并聯(lián)電感或串聯(lián)電感）。

“左并右串”，“左”指代左側(cè)的電導(dǎo)圓，“右”指代右側(cè)的電阻圓。若想要使阻抗點(diǎn)沿著左側(cè)的電導(dǎo)圓移動(dòng)，通常需要并聯(lián)電容或電感。當(dāng)并聯(lián)電容時(shí)，阻抗點(diǎn)會(huì)沿著電導(dǎo)圓順時(shí)針移動(dòng)，而并聯(lián)電感時(shí)，阻抗點(diǎn)則會(huì)沿著電導(dǎo)圓逆時(shí)針移動(dòng)。若要使阻抗點(diǎn)沿著右側(cè)的電阻圓移動(dòng)，通常需要串聯(lián)電容或電感。當(dāng)串聯(lián)電容時(shí)，阻抗點(diǎn)會(huì)沿著電阻圓逆時(shí)針移動(dòng)，而串聯(lián)電感時(shí)，阻抗點(diǎn)則會(huì)沿著電阻圓順時(shí)針移動(dòng)。

圖片4 左電導(dǎo)圓/并L/逆時(shí)針

圖片5 左電導(dǎo)圓/并C/順時(shí)針

圖片6 右電阻圓/串L/順時(shí)針

圖片7 右電阻圓/串C/擬時(shí)針

02阻抗匹配步驟

軟件仿真

使用鼎陽的矢網(wǎng)測(cè)試2.4G天線的S11，將顯示格式切換為史密斯圓圖，測(cè)得2.4G頻點(diǎn)處的阻抗為10+10j，將數(shù)據(jù)點(diǎn)添加到仿真軟件中。

圖片8 天線2.4G頻點(diǎn)原始阻抗

為了將阻抗點(diǎn)匹配到史密斯圓圖正中心的50Ω處，先串聯(lián)L使得數(shù)據(jù)點(diǎn)沿著電阻圓順時(shí)針移動(dòng)到與50Ω等電導(dǎo)圓的交叉位置，之后再并聯(lián)C使得數(shù)據(jù)點(diǎn)沿著電導(dǎo)圓順時(shí)針移動(dòng)到50Ω匹配點(diǎn)。

圖片9 天線2.4G頻點(diǎn)串聯(lián)L并聯(lián)C后阻抗

網(wǎng)分仿真

鼎陽的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不僅具備高精度的S參數(shù)測(cè)試能力，同樣集成了阻抗匹配仿真功能，可幫助工程師快速優(yōu)化天線、濾波器、功放等射頻電路的阻抗匹配設(shè)計(jì)。該功能基于史密斯圓圖可視化分析，結(jié)合自動(dòng)化計(jì)算與仿真工具，顯著提升調(diào)試效率。

點(diǎn)擊CAL按鍵 > 夾具仿真 > 夾具仿真設(shè)置 > 選擇相應(yīng)port > Circuit Model。

選擇合適的匹配電路，設(shè)置電容電感值，最后勾選“Enable Port Matching...”，同時(shí)打開夾具仿真應(yīng)用。注意，雙擊“電路模型”可以將阻抗匹配窗口最小化，便于調(diào)試。

以下圖中的設(shè)置為例，選擇“Shunt C-Series L”（并聯(lián)C-串聯(lián)L），注意阻抗匹配時(shí)是從DUT往負(fù)載端看，所以實(shí)際上是先串聯(lián)了2.15nH的電感L，再并聯(lián)了8.5Pf的電容C，其他未使用到的參數(shù)（R/G）不做設(shè)置即可。橙色跡線Tr1是未進(jìn)行匹配仿真的原始跡線，藍(lán)色跡線Tr2是經(jīng)過匹配仿真后的跡線，可以看到對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)經(jīng)過匹配后已經(jīng)十分接近50Ω匹配點(diǎn)。

圖片10 鼎陽矢網(wǎng)史密斯圓圖阻抗匹配仿真

小結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了史密斯圓圖在阻抗匹配中的核心原理，配合"上感下容，左并右串"等實(shí)用口訣，提升匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)效率。同時(shí)介紹鼎陽矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗匹配仿真功能，讓工程師更加快速便捷的完成天線、放大器、濾波器等器件的阻抗匹配。

作者丨鼎陽科技 馬烈旭

SIGLENT

深圳市鼎陽科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱“鼎陽科技”，股票代碼：688112）是國(guó)家重點(diǎn)“小巨人”企業(yè)，是全球極少數(shù)具有數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀四大通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售能力的通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器企業(yè)，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)極少數(shù)同時(shí)擁有這四大主力產(chǎn)品并且四大主力產(chǎn)品全線進(jìn)入高端領(lǐng)域的企業(yè)。公司總部位于深圳，在美國(guó)克利夫蘭、德國(guó)奧格斯堡、日本東京、馬來西亞檳城州成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武漢、南京設(shè)立了辦事處，產(chǎn)品及服務(wù)遠(yuǎn)銷全球80多個(gè)國(guó)家及地區(qū)。

鼎陽硬件智庫(kù)

鼎陽硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)（簡(jiǎn)稱鼎陽硬件智庫(kù)）由深圳市鼎陽科技股份有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦，是一家“智力眾籌”模式的硬件智庫(kù)。

鼎陽硬件智庫(kù)順時(shí)順勢(shì)，倡導(dǎo)“連接-分享-協(xié)作-創(chuàng)造”的理念，高舉志愿者服務(wù)的大旗，相信互聯(lián)網(wǎng)是“愛”的大本營(yíng)，相信人們都有發(fā)自內(nèi)心分享的愿望。

鼎陽硬件智庫(kù)選擇硬件領(lǐng)域最普遍的七類問題：電源，時(shí)鐘，DDR，低速總線，高速總線，EMC，測(cè)試測(cè)量進(jìn)行聚焦。尋找“最針尖”的問題進(jìn)行研討，針對(duì)“最針尖”的問題組織專家答疑，將硬件大師積累的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變成公眾財(cái)富，惠及更多硬件人。

鼎陽硬件智庫(kù)，群策群力，連接所有硬件人。

有硬件問題，找鼎陽硬件智庫(kù)。