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来自Jack's Lab
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1 Overview

网络分析 (Network Analysis) 是指工程师对较复杂系统中所用原件和电路的电气性能进行测量的过程。当这些系统传送具有信息内容的信号时,我们最关心的是如何最高效率和最小失真地使信号从一处传到另一处。。。

矢量网络分析 (Vecor Network Analysis) 是通过测量元件对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度和相位的影响,来表征元件特性的一种方法


系统中如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是什么引起的(可能是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),信号都会发生反射。

那么有多少被反射回传输线的起点?衡量信号反射量的重要指标是反射系数,表示反射电压和原传输信号电压的比值

我们希望反射系数的绝对值小于1/3,即反射系数落入史密斯圆图的蓝色区域中


  • S11 - Forward Reflection (Input Match - impedance)
  • S21 - Forware Transmission (Gain or Loss)
  • S22 - Reverse Reflection (Output Match - impedance)
  • S12 - Reverse Transmission (isolation)


S11 表示在 port 1 量反射损失 (return loss),主要是观测发送端看到多大的的信号反射成份;值越接近 0 越好 (越低越好 ,一般 -25~-40dB ),表示传递过程反射 (reflection) 越小,也称为输入反射系数 (Input Reflection Coefficient)

S21 表示信号 从 port 1 传递到 port 2 过程的馈入损失 (insertion loss),主要是观测接收端的讯号剩多少;值越接近 1 越好 (0dB),表示传递过程损失 (loss) 越小,也称为顺向穿透系数 (Forward Transmission Coefficient)



2 Match

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”。

反射系数定义为反射波电压与入射波电压之比



关于阻抗匹配的应用:

Smith-11.jpg

绿线完整圆为等电导,绿线发射线为等电纳

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。


不同的元件连接对应不同的移动方式:

  • 串连 L,阻抗点沿着电抗刻度(即等电阻圆)右旋移动
  • 串连 C,阻抗点沿着电抗刻度(即等电阻圆)左旋移动。
  • 串连 R,阻抗点沿着电阻刻度(即等电抗圆)移动。


  • 并联 L,阻抗点沿着电纳刻度(等电导圆)左旋移动。
  • 并联 C,阻抗点沿着电纳刻度(等电导圆)右旋移动。
  • 并联 R,阻抗点沿着电导刻度(等电纳圆)移动。

上图串联电感、并联电感的标示是错误的

参考: http://599mag.com/2019/08/06/antenna-tuning-for-beginners-2/


Matching原则:

1.电感/电容值,不要过小

2.落地电容值,不要过大

3.电感/电容值,不要过于冷背

4.尽可能设计成Low Pass Filter

5.整个频带的阻抗轨迹尽可能收敛



3 Smith

Smith 圆图是用来定位阻抗查反射系数的

阻抗是个复数,同样反射系数也是复数

  • 水平轴上的点电阻特性(虚部为 0),水平以上感抗(虚部大于0),水平以下容抗(虚部小于于0)
  • 水平轴上的中点,归一化值为 1 (Z0 = 50Ω),中点往左电阻实部 < 1,最小为 0 (短路);往右电阻实部 > 1,最大无穷大(开路)
  • 完整圆上的点为相同的电阻实部,从水平轴开始,点随着圆周顺时针移动,虚部值先达 1 再到正无穷(水平轴右侧交点),再往下则从负无穷往 -1 变动,最后回到虚部为 0
  • 负载短路时,圆为最大的那个圆(半径为 1)
  • 负载开路时,圆退化为一个点 (以 1, 0 为圆心,半径为零)。与此对应的是最大的反射系数 1,即所有的入射波都被反射回来
  • r = 1 的圆,以 (0.5, 0) 为圆心,半径为 0.5

Smith-03.jpg


反射系数的计算:

Smith-06.jpg


水平轴中点为极坐标原点,与负载阻抗的点连线为反射系数的模 |Γ|,乘上 Cos 夹角,即得反射系数。。。


实际应用中,反射系数在 1/3 以下是可以接受的,因此负载阻抗的落点得在蓝色圆内:

Smith-07.jpg

此中点的反射系数的模 |Γ| 皆小于等于 1/3,因而其反射系数皆在 1/3 以下,VSWR < 2,匹配效率约为 90%


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|


4 Reference









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