Kalvių diagramų pagrindai ir kaip ją naudoti impedanso suderinimui

RF inžinerija yra viena iš įdomiausių ir sudėtingiausių elektrotechnikos dalių dėl didelio kompiuterinių sudėtingų košmariškų užduočių, tokių kaip tarpusavyje sujungtų blokų impedanso suderinimas, susijęs su praktiniu RF sprendimų įgyvendinimu. Šiandieniniame amžiuje, kai naudojamos skirtingos programinės įrangos priemonės, viskas yra šiek tiek lengviau, tačiau jei grįšite į laikotarpius, kai kompiuteriai tapo tokiais galingais, suprasite, kaip viskas buvo sunku. Šiandienos pamokoje apžvelgsime vieną iš įrankių, kurie buvo sukurti tada ir vis dar naudojami inžinieriaus RF projektavimui, žiūrėkite „ The Smith Chart“. Mes išnagrinėsime kalvių diagramos tipus, jų konstrukciją ir kaip suprasti turimus duomenis.

Kas yra Smitho diagrama?

„Smith“ diagrama, pavadinta išradėjo Phillipo Smitho vardu, sukurta 1940 m., Iš esmės yra kompleksinio atspindžio koeficiento poliarinis planas, leidžiantis savavališkai impedansuoti.

Iš pradžių jis buvo sukurtas naudoti sprendžiant sudėtingas matematikos problemas, susijusias su perdavimo linijomis ir atitinkančiomis grandinėmis, kurias dabar pakeitė kompiuterio programinė įranga. Tačiau Smitho diagramų metodas rodyti duomenis sugebėjo išlaikyti savo pirmenybę per daugelį metų, ir tai išlieka pasirinktas metodas rodyti, kaip RF parametrai elgiasi vienu ar keliais dažniais, o alternatyva yra informacijos lentelė.

Smitho diagrama gali būti naudojama keliems parametrams rodyti, įskaitant; impedansai, priėmimai, atspindžio koeficientai, sklaidos parametrai, triukšmo figūros apskritimai, nuolatinio stiprinimo kontūrai ir besąlygiško stabilumo regionai bei mechaninė vibracijų analizė, tuo pačiu metu. Todėl daugumoje radijo dažnių analizės programinės įrangos ir paprastų impedanso matavimo priemonių ekrano parinktyse yra kalvinės diagramos, todėl tai yra svarbi tema RF inžinieriams.

Smitho diagramų tipai

Smitho diagrama braižoma kompleksinės atspindžio koeficiento plokštumoje dviem matmenimis ir yra keičiama normalizuota impedancija (labiausiai paplitusi), normalizuota priėmimas arba abu, naudojant skirtingas spalvas, kad būtų galima juos atskirti, ir yra priemonė juos skirstyti į skirtingus tipus. Remiantis šiuo masteliu, kalvių diagramas galima suskirstyti į tris skirtingus tipus;

1. „Impedance Smith“ diagrama (Z diagramos)
2. Admitto Smito diagrama (YCharts)
3. „Imittance Smith“ diagrama. (YZ diagramos)

Nors impedanso kalvių diagramos yra pačios populiariausios, o kitos retai paminimos, visos jos turi savo „supervalstybes“ ir gali būti nepaprastai naudingos, kai naudojamos pakaitomis. Eiti per juos vienas po kito;

1. Impedanso Smitho diagrama

Impedicijos kalvių diagramos paprastai vadinamos įprastomis kalvių diagramomis, nes jos susijusios su impedancija ir labai gerai veikia su apkrovomis, sudarytomis iš serijinių komponentų, kurie paprastai yra pagrindiniai impedanso suderinimo elementai ir kitos susijusios RF inžinerijos užduotys. Jie yra populiariausi, o visos nuorodos į kalvių diagramas dažniausiai nurodo jas, o kitos yra laikomos išvestinėmis priemonėmis. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta impedanso kalvių diagrama.

Šiandienos straipsnis bus sutelktas į juos, todėl tolesnė informacija bus pateikta toliau.

2. Priėmimo Smitho diagrama

Impedanso diagrama yra puiki, kai susiduriama su nuoseklia apkrova, nes viskas, ką jums reikia padaryti, yra tiesiog pridėti impedanciją, tačiau matematika tampa tikrai sudėtinga dirbant su lygiagrečiais komponentais (lygiagrečiais induktoriais, kondensatoriais ar šunto perdavimo linijomis). Siekiant to paties paprastumo, buvo sukurta priėmimo diagrama. Iš pagrindinių elektros klasių jūs atsiminsite, kad priėmimas yra atvirkštinė impedancija, priėmimo diagrama yra prasminga sudėtingai lygiagrečiai situacijai, nes jums tereikia išnagrinėti antenos įleidimą, o ne impedanciją ir tiesiog pridėti juos aukštyn. Žemiau parodyta lygtis, leidžianti nustatyti santykį tarp priėmimo ir impedanso.

Y _L = 1 / Z _L = C + iS… (1)

Kur il yra įleistas į apkrovą, Zl yra varža, C yra realus dalis įleistas žinomas kaip laidumas, ir S menamas dalis žinomas kaip Reaktyvumo. Tiesa, atsižvelgiant į jų santykius, aprašytus aukščiau esančiais santykiais, priėmimo kalvių diagrama turi atvirkštinę orientaciją į impedanso kalvių diagramą.

Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta Smith Smith diagrama.

3. „Imittance Smith“ diagrama

Kalvių diagramos sudėtingumas padidėja sąraše. Nors „įprasta“ impedansinė „Smith“ diagrama yra labai naudinga dirbant su serijos komponentais, o „Smith Smith“ leidimas yra puikus lygiagrečių komponentų atveju, unikalus sunkumas kyla, kai sąrankoje dalyvauja tiek serijiniai, tiek lygiagretūs komponentai. Norėdami tai išspręsti, naudojama imitacijos kalvių diagrama. Tai tiesioginis žodžio prasme veiksmingas problemos sprendimas, nes jis susideda ant impedanso ir priėmimo kalvių diagramų. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta tipinė „Imittance Smith“ diagrama.

Tai yra naudinga, nes gali būti derinamos tiek priėmimo, tiek impedanso kalvių diagramos. Atliekant impedanso suderinimo veiklą, tai padeda nustatyti, kaip lygiagretusis arba nuoseklusis komponentas paveikia impedanciją, įdėdamas mažiau pastangų.

Smitho diagramos pagrindai

Kaip minėta įžangoje, Smitho diagramoje pateikiamas kompleksinis atspindžio koeficientas poliarine forma tam tikrai apkrovos varžai. Grįžtant prie pagrindinių elektros klasių, atsiminsite, kad varža yra pasipriešinimo ir reaktyvumo suma ir todėl dažniausiai yra kompleksinis skaičius, todėl atspindžio koeficientas taip pat yra kompleksinis skaičius, nes jis yra visiškai nulemtas varža ZL ir „atskaitos“ varža Z0.

Remiantis tuo, atspindžio koeficientą galima gauti iš lygties;

Kur Zo yra siųstuvo varža (arba kas nors tiekia antenai energiją), o ZL yra apkrovos varža.

Taigi Smitho diagrama iš esmės yra grafinis būdas parodyti antenos impedanciją kaip dažnio funkciją, arba kaip vieną tašką, arba taškų diapazoną.

Smitho diagramos komponentai

Į tipišką kalvių diagramą baisu žiūrėti einant čia ir ten, bet tampa lengviau ją įvertinti, kai supranti, ką reiškia kiekviena eilutė.

Impedicijos Smito diagrama

„Immitance Smith“ diagramoje yra du pagrindiniai elementai, tai yra du apskritimai / lankai, apibrėžiantys Smitho diagramos pavaizduotą formą ir duomenis. Šie apskritimai yra žinomi kaip;

1. Nuolatiniai R ratai
2. Nuolatiniai X ratai

1. Nuolatiniai R ratai

Pirmasis linijų rinkinys, vadinamas pastovaus pasipriešinimo linijomis, sudaro apskritimus, kurie visi liečiami dešinėje horizontalaus skersmens dešinėje. Nuolatiniai R apskritimai iš esmės yra tai, ką jūs gaunate, kai varžos dalis varža yra pastovi, o X vertė kinta. Visi konkretaus R apskritimo taškai rodo tą pačią varžos vertę (fiksuotas pasipriešinimas). Kiekvieno pastovaus R apskritimo atstovaujamo pasipriešinimo vertė yra pažymėta horizontalioje linijoje toje vietoje, kur apskritimas susikerta su ja. Paprastai tai pateikiama pagal apskritimo skersmenį.

Pvz., Apsvarstykite normalizuotą varžą, ZL = R + iX, jei R buvo lygus vienam, o X buvo lygus bet kuriam realiam skaičiui, kad ZL = 1 + i0, ZL = 1 + i3 ir ZL = 1 + i4, impedanso diagrama kalvių diagramoje atrodys kaip paveikslėlyje žemiau.

Nubraižius kelis pastovius R apskritimus, gaunamas vaizdas, panašus į žemiau esantį.

Tai turėtų suteikti jums idėją, kaip kuriami milžiniški apskritimai kalvių diagramoje. Vidiniai ir atokiausi pastovieji R ratai atspindi kalvių diagramos ribas. Vidinis apskritimas (juodas) vadinamas begaliniu pasipriešinimu, o atokiausias - nuliniu pasipriešinimu.

2. Nuolatiniai X ratai

„Constant X Circles“ yra daugiau lankų nei apskritimų ir visi liečia vienas kitą horizontaliosios skersmens dešiniajame krašte. Jie susidaro, kai varža turi fiksuotą reaktyvumą, bet skiriasi atsparumo vertė.

Viršutinės pusės linijos rodo teigiamus reaktyvius, o apatinės - neigiamus.

Pvz., Apsvarstykime kreivę, apibrėžtą ZL = R + iY, jei Y = 1 ir laikoma pastovi, o R reiškia realų skaičių, yra nuo 0 iki begalybės yra pavaizduota aukščiau sukurtuose pastoviuose R apskritimuose, gaunamas siužetas, panašus į pavaizduotą žemiau.

Nubraižę kelias ZL vertes abiem kreivėms, gauname kalvių diagramą, panašią į pateiktą žemiau esančiame paveikslėlyje.

Taigi, išsami Smitho diagrama gaunama tada, kai šie du aukščiau aprašyti apskritimai yra uždėti vienas ant kito.

Priėmimo Smitho diagrama

„Admittance Smith Charts“ atveju yra atvirkštinis atvejis. Priėmimas, palyginti su impedancija, yra pateiktas aukščiau pateiktoje 1 lygtyje. Priėmimas susideda iš laidumo ir succeptance, o tai reiškia, kad priėmimo kalvių diagramos atveju, o ne turint pastovaus pasipriešinimo ratą, mes turime nuolatinio laidumo ratą. ir užuot nuolatinis reaktyvios ratą, mes turime pastovų Succeptance ratą.

Atkreipkite dėmesį, kad priėmimo Smitho diagrama vis tiek atspindės atspindžio koeficientą, tačiau grafiko kryptis ir vieta bus priešingi Impedance smith diagramos krypčiai, kaip matematiškai nustatyta žemiau pateiktoje lygtyje

…… (3)

Norėdami tai geriau paaiškinti, apsvarstykime normalizuotą priėmimą Yl = G + i * SG = 4 (pastovus), o S yra bet kuris tikrasis skaičius. Sukūrę kalvio pastovaus laidumo diagramą naudodami aukščiau pateiktą 3 lygtį, kad gautumėte atspindžio koeficientą ir nubraižytumėte skirtingas S reikšmes, gauname žemiau pateiktą kalvio diagramą.

Tas pats pasakytina ir apie nuolatinio priėmimo kreivę. Jei kintamasis S = 4 (pastovus) ir G yra tikrasis skaičius, pastovaus laidumo kreivės (raudona) diagrama, uždėta ant pastovaus laidumo kreivės, atrodys kaip žemiau pateiktas vaizdas.

Taigi „Admittance Smith“ diagrama bus atvirkštinė „Impedance Smith“ diagramai.

Smitho diagramoje taip pat yra apskritimo mastelis bangos ilgiais ir laipsniais. Bangos ilgio skalė naudojama paskirstytų komponentų problemoms spręsti ir atstumą, išmatuotą išilgai perdavimo linijos, sujungtos tarp generatoriaus ar šaltinio, ir apkrovą iki nagrinėjamo taško. Laipsnių skalė rodo įtampos atspindžio koeficiento kampą tame taške.

Smitho diagramų taikymai

Smitho diagramos randa taikymą visose radijo inžinerijos srityse. Kai kurios iš populiariausių programų apima;

• Impedancijos skaičiavimai bet kurioje perdavimo linijoje, bet kokioje apkrovoje.
• Bet kurios perdavimo linijos, bet kokios apkrovos, skaičiavimai.
• Apskaičiuojamas trumpojo jungimo perdavimo linijos gabalo ilgis, kad būtų užtikrintas reikalingas talpinis arba indukcinis reaktyvumas.
• Varžos suderinimas.
• VSWR nustatymas, be kita ko.

Kaip naudoti „Smith“ diagramas impedanso suderinimui

Norint naudoti Smitho diagramą ir interpretuoti iš jos gautus rezultatus, reikia gerai suprasti kintamosios srovės grandinių ir perdavimo linijų teorijas, kurios abi yra natūrali sąlyga radijo dažnių inžinerijai. Kaip pavyzdys, kaip naudojamos kalvinės diagramos, panagrinėsime vieną iš populiariausių naudojimo atvejų - antenų ir perdavimo linijų impedanso atitikimą.

Sprendžiant problemas, susijusias su derinimu, kalvinė diagrama naudojama nustatant komponento (kondensatoriaus ar induktoriaus) vertę, kuri naudojama siekiant užtikrinti, kad linija būtų visiškai suderinta, ty užtikrinant, kad atspindžio koeficientas būtų lygus nuliui.

Pvz., Tarkime, kad varža yra Z = 0,5 - 0,6j. Pirmoji užduotis bus rasti 0,5 pastovaus pasipriešinimo apskritimą kalvių diagramoje. Kadangi impedancija turi neigiamą kompleksinę vertę, ty talpinę impedanciją, turėsite judėti prieš laikrodžio rodyklę išilgai 0,5 varžos apskritimo, kad surastumėte tašką, kuriame jis patenka į -0,6 pastoviosios reaktyviosios lanką (jei tai būtų teigiama kompleksinė vertė, tai būtų induktorius, o jūs judėtumėte pagal laikrodžio rodyklę). Tada gaunama idėja apie komponentų, kuriuos reikia naudoti norint suderinti apkrovą su linija, vertę.

Normalizuotas mastelis leidžia Smitho diagramą naudoti problemoms, susijusioms su bet kokia charakteristika ar sistemos impedancija, kurią žymi diagramos centras. Impedanso kalvių diagramose dažniausiai naudojama 50 omų normalizavimo varža, kuri atveria grafiką, kad būtų lengviau atsekti impedanciją. Gavus atsakymą naudojantis aukščiau aprašytomis grafinėmis konstrukcijomis, yra paprasta perskaičiuoti tarp normalizuotos impedanso (arba normalizuoto priėmimo) ir atitinkamos nenormalizuotos vertės, padauginus iš būdingos impedanso (priėmimo). Atspindėjimo koeficientus galima nuskaityti tiesiai iš diagramos, nes jie yra parametrai be vieneto.

Be to, impedancijų ir priėmimo vertė kinta priklausomai nuo dažnio, o su jais susijusių problemų sudėtingumas didėja. Tačiau Smitho diagramos gali būti naudojamos šioms problemoms spręsti po vieną arba po kelis.

Sprendžiant problemą rankiniu būdu vienu dažniu, rezultatas paprastai pateikiamas tašku diagramoje. Nors jų kartais „pakanka“ siauro pralaidumo programoms, paprastai tai yra sudėtingas požiūris taikant plačiajuosčio pralaidumo keliais dažniais. Kalvių diagrama taikoma plačiu dažnių diapazonu, o rezultatas pateikiamas kaip Locus (jungiantis kelis taškus), o ne vienas taškas, su sąlyga, kad dažniai yra arti.

Šiuos taškų, apimančių kalvių diagramos dažnių diapazoną, vietą galima vizualiai pavaizduoti:

1. Kiek talpa ar indukcija yra apkrova nagrinėjamame dažnių diapazone
2. Kaip sunku suderinti įvairiais dažniais
3. Kaip gerai suderinamas konkretus komponentas.

Smito diagramos tikslumas sumažėja dėl problemų, susijusių su dideliu impedancijų ar priėmimų lokusu, nors mastelį galima padidinti atskirose srityse, kad būtų galima juos pritaikyti.

Smitho diagrama taip pat gali būti naudojama sudedant elementų suderinimo ir analizės problemas.