הקדמה: דוו הבלתי צפוי בהנדסת RF

בעולם של תדר רדיו (RF) הנדסה, שני מושגים עומדים כעמודי עמוד של ניתוח מערכת אנטנה: הטבלה סמית 'והוולטר עמידה גלים Ratio (VSWR) The Smith Chart, שהומצא על ידי פיליפ H. Smith בשנות ה -30, מספק שיטה גרפית לראייה של אימפולסים מורכבים והשתקפות משותפת של קישורים על משטח קוטבי.

מה זה VSWR? A Closer Look at Impedance Matching

(ה-VWR) עומד על וולטאג'ו גל Ratio, מספר חסר ממד המתאר את העיוות בין קו שידור לבין העומס שלו (בדרך כלל אנטנה) כאשר מקור מזין קו שידור שהופסק על ידי אנטנה, כל הבדל בין האימפולס של האנטנה לבין הדחף האופייני של הקו (ZFLT:0FalLT:1, לעתים קרובות 50 הו) גורם לגל המרבי של גל זה, כדי להפריע לקצב הקדמי, הוא ביטוי את התדר הקדמי של גל זה.

VSWR Formula and Ideal Values

  • (ב) ,0) , תואמים: 1FLT:1 VSWR = 1:1 (לא משתקף כוח, העברת כוח מקסימלית).
  • (ב) למערכות לוחמה:0 (Practical Systems: FLT:1, VSWR מתחת ל-1:1 הוא בדרך כלל מקובל; להלן 2:1 הוא נפוץ עבור יישומים רבים.
  • (ב) גבוה VSWRir: 1 ערכי FLT מעל 3:1 מצביעים על אי התאמה משמעותית, המוביל לאובדן כוח, דור חום, ונזק פוטנציאלי לשלב המגבר הסופי של המעביר.

ההגדרה המתמטית מתייחסת ישירות לגודל ה-VWR ( ⁇ ):

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) ויקרא י"ד): "וַיְּהִיא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא

למה דברים VSWR באנטנה מערכות

VSWR נמוך מבטיח כי כמות מקסימלית של כוח RF מגיעה האנטנה לקרינה. גבוה VSWR לא רק לבזבז כוח, אלא גם יכול לגרום:

  • כוח הרהר נוסע חזרה אל המשדר, פוטנציאלי מזיק לתוצרים.
  • הפסדים מוגברים בקו השידור בשל זרמים גבוהים יותר במתח מקסימליה.
  • הפחתת רוחב הפס של המערכת כתאים לרשתות הופכת לרגישה לתדירות.

לכן, מדידת וצמצום VSWR היא מטרה עיקרית בעיצוב מערכת אנטנה.כאן הטבלה סמית 'זרח כמכשיר אינטואיטיבי לראייה ופתרון בעיות התאמה.

The Smith Chart: A Graphical Powerhouse

הטבלה סמית' היא למעשה מיפוי של מטוס ההימנעות המורכב (או להודות) על מעגל יחידה באמצעות טרנספורמציה דו-לינארית.זה מציג תנופה נורמלית (z= Z / ZIRFLT:0.0.0.0FLT:1) עם מעגלים קבועים ועיגולים קבועים-reactance arcs.It גם מראה ישירות את זווית ההשתקפות ובשלב כלשהו.

תכונות מפתח של הטבלה סמית'

  • (ב) [הציר האופקי]:0 [ה] לתאם את התיאום המוזנח: [הציר האופקי] הוא התנגדות טהורה, עם ערכים העולים ימינה.המחצית העליונה היא תגובה חיובית (מבחינה אינדוקטיבית), תגובה נמוכה יותר של חצי שלילי (capacitive).
  • (FLT:0) מעגלים VSWR:FIRLT:1 עיגולים מרוכזים במרכז התרשים מייצגים את הרדיוס שלהם קבוע קשור: ⁇ ⁇ , אז מעבר לאורך מעגל ממשיך VSWR ללא שינוי.
  • (ב) ניתן להשתמש בגרסת ה-[[1924]]: [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מהנדסים משתמשים לעתים קרובות בטבלת סמית' כדי לבצע שינויים בלתי מאולתרים על ידי הוספת סדרות או רכיבים שחוקים, או באמצעות קטעי קו שידור (רובים) התרשים מבטלת סיבולת מורכבת, מתן קיצור דרך חזותי המחשוף את ההשפעה של כל הסתגלות באופן מיידי.

חיבור ה- Smith Chart to VSWR: Visualizing the Match

הקשר היסודי בין הטבלה סמית' ו-VWR הוא ההשתקפות של ה-VWR תלוי אך ורק ב- ⁇ ; בכל נקודה על הטבלה סמית' השוכן על מסלול קבוע מסוים: לעיגול יש את אותו ה-VWR. במילים אחרות, כל האימפולסים הנורמליים שנפלו באותו מעגל מייצרים את אותו יחס גל עומד.

  1. פשטו את הדחף המוגמר על התרשים.
  2. מצא את המרחק מנקודת מבט זו למרכז התרשים (המרחק הזה הוא)
  3. קראו את ה-VWR מהסקאלה לאורך ציר האופקי (או מהעיגולים הקבועים של VSWR).

לדוגמה, אימפולס נורמלי של z=2 + j0 (כלומר, ZIRLT:0LLFLT:1 = 100ms על קו 50-ohm) מונח על הציר האמיתי ב ⁇ = (100-50) / (100+50)= 0.333. השתמש בנוסחה, VSWR= (1+0.3 / 133) ⁇ 2.0, בבירור, נקודה זו נופלת על ה- 2.0, בבירור, n.

הפסקת האש מכל דבר

כדי למצוא את VSWR עבור כל מכשול מורכב, אתה לא צריך לחשב ⁇ במפורש. במקום, לצייר קו ממרכז התרשים דרך הנקודה המסולפת לקצה החיצוני. ואז לקרוא את הזווית (לשלב השתקפות) VSWR נקבע על ידי לאחר מעגל VSWR הקבוע העובר דרך הנקודה. רוב הגרפים סמית 'יש קנה מידה מודפס מתחת לגרף ישירות ממרחק (מרכז) לתוך ⁇ לתוך ⁇ .

(ב) [ה]העיקרון [ה]: [ה] [ה] [ה]] [ה]][2] כאשר אתם מתכננים רשתות התאמה, אתם יכולים לאמר את מעגל ה-VWR הרצוי (למשל, 1.5:1) ולאחר מכן לבחור רכיבים שהופכים את העומס לנקודת מפנה בתוך מעגל זה.

שימוש ב- Smith Chart כדי להקליד את VSWR: התאמת טכניקות

המטרה הסופית של כל מעצב מערכת אנטנה היא להשיג VSWR קרוב ל-1:1 ככל האפשר על פני הלהקה התדירות התפעולית.הטבלה סמית' מספקת מספר טכניקות התאמה קלאסיות:

Single-Stub Matching

קצר-כיפוף או פתוח-קופס קו גמגמות קו השידור ממוקמים במרחקים ספציפיים מן העומס כדי לבטל את החלק הפעיל ולהתאים את החלק הנגדי על הטבלה סמית', אתה הראשון מבסס את ההגבלה (על ידי רוטט 180 מעלות דרך המרכז) ולאחר מכן לעבור לאורך קו השידור (שעון מתעתג לכיוון הגנרטור) עד שההודאה מתפרשת את המעגל הקבוע של התנהגות 1.

בסביבה הקרובה של Quarter-Wave Transformer

(ב) לטענות התנגדות בלבד, סעיף רבע-גל של קו השידור עם אימפולס אופייני ZFillo:0 transveFLT:1= ⁇ (ZIRFLT:2003FLT 3 × RFOVAGRFLT:4Lreaph:5) יכול להתאים את העומס לקו הראשי.

התאמות (L-Networks)

באמצעות capacitors ו inductors, מהנדסים יכולים לעצב L, T, או Pi רשתות. The Smith Chart מפשט את זה על ידי מזימה של דחיית העומס ולאחר מכן הוספת סדרה או צעדי תגובה גילוח או capacitor עובר את הנקודה לאורך מעגל קבוע של עמידות (בדרך כלל על סמית '), בעוד אלמנט לא נעים לאורך מעגל מתמשך (מרכז מוליכים) באמצעות עיגול מתמיד (מרכז התאמה).

עקבו אחרי Broadband Matching

עבור אנאנטנות פס רחב, התאמה חייבת להיות מוחזקת על פני טווח תדר.הטבלה סמית' יכול להראות כיצד שינויים בתדירות (לעתים קרובות מוקרן כאתר עם סמנים בתדרים) על ידי שימוש במשנה מרובות חלקים או קווים מצופים, מהנדסים יכולים לשמור את העקב בתוך מעגל נמוך-VSWR על פני הלהקה. משוב חזותי זה הוא בלתי חוקי עבור רוחב פס ללא חישובים מורכבים.

יישומים מעשיים של הטבלה סמית' ו-VWR באנטנה מערכות

אנטנה טונינג ואופטימיזציה

במהלך פיתוח האנטנה, מהנדסים משתמשים בניתוח רשת וקטור (VNA) כדי למדוד את הדחף מול תדירות.ה-VNA מציג בדרך כלל את העקב ישירות על תרשים סמית '. על ידי בחינת ה- VSWR בכל תדירות, הם יכולים להתאים את האנטוגרפיה (למשל, אורך אלמנט, ספיגה, גודל קרקע) כדי להביא את הדחף קרוב יותר ל-50ms.

המונחים: Line Fault Detection

VSWR גבוה יכול גם להצביע על בעיות פיזיות בקו השידור, כגון מים ingress, קורוזיה, או מנצחים שבורים. על ידי מדידה של הדחף בקלט של הקו ושימוש בטבלת סמית' כדי מודל קו שידור עם עומס מורכב, מהנדסים יכולים להעריך את המרחק לאשמה.טכניקה זו, המכונה זמן-דומיין רפמטריה בתדר, מקטין את היכולת של איך להראות קו פגום.

עיצוב Multiband Antenna

אנאנטנות מודרניות רבות (למשל, עבור סלולרי, Wi-Fi, או GPS) חייבות לפעול על להקות מרובות.הטבלה סמית' עוזרת למעצבים ליצור רשתות התאמה המציגות VSWR נמוך על כל להקה, לעתים קרובות באמצעות מגמגמות מרובות או רכיבים מסובכים.

שלב-בי-שלב דוגמה: שימוש בטבלת סמית' כדי להשלים את ה-VWR

  1. (ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  2. (ב) ⁇ :0) ⁇ ב- Smith Chart:FLT:1 Locate theצומת של מעגל ה-resistance Circle r=0.6 ואת ה-reactance arc x=0.8.
  3. (FLT:0)Determine; ⁇ ::FLT:1 Measure the Distance from the Peak Center to Point A. Using the scale, המרחק הזה תואם ל- ⁇ =0.6 (לדוגמא זו) לחלופין, לחשב ⁇ =(z-1)/(z +1)= (0.4- j0.8) / 1.6 (ג'0) גודל זה <0.6 (0.6) ⁇ .
  4. קרא VSWRir: 1FLT 1 מעגל קבוע VSWR עם רדיוס המתאים ל- ⁇ =0.6 עובר דרך נקודה A. That Circle's VSWR הוא (1+0.6) / (1-0.6) = 4.0:1 לכן אנטנה זו אינה תואמת במידה רבה.
  5. <חזק>Plan תואם: כדי להשיג VSWR מתחת 1:1 (<0.2), עלינו להפוך את הדחף הזה לנקודה בתוך מעגל קטן סביב מרכז הטבלה. The Smith Chart מציע באופן ויזואלי כי הוספת סדרה אינדוקטור (העברת מעגל קבוע לכיוון x חיובי) או חפיר (התיחה לאורך מעגל קבוע) יכול לנוע בכיוון 1+0.

עם תרגול, מהנדסים יכולים לבצע את התהליך הזה בתוך שניות ללא כל חישובים, הודות לגיאומטריה אינטואיטיבית של הטבלה סמית'.

משאבים חיצוניים ללמידה נוספת

  • (ב) ⁇ 0Microwaves101 - סמית' שארב אנציקלופדיה 1 בינואר: הסברים מפורטים של תורת הטבלה סמית' והשימוש המעשי.
  • (ב) [ה]המכשירים של נפת: חזרה לבסיסים: התאמת אי-ציות (חלק 1), איור 1: מבוא מוצק ל-VWR ולהתאמה של טכניקות.
  • (ב) [15] [13] [15] ,9, לעומת מהדורות של [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]
  • (FLT:0)MathWorks - סמית' Chart VisualizationFLT:1: כיצד להשתמש MATLAB עבור ניתוח תרשים סמית '.

מלכודות נפוצות ופתרון בעיות

התעלמות מצריכת תדירות

הטבלה סמית' היא תמונה בתדירות אחת.אנטנות אמיתיות יש חוסר יכולת המשתנה עם תדירות. רשת התאמה שעוצבה בתדר אחד עלולה להחמיר את ה-VWR באחרת.תמיד לבדוק את העקבות ברחבי הלהקה כולה כדי להבטיח שה-VWR נשאר בגבולות מקובלים.

ערכים נורמליים

התעלמות מהתמרונות עלולה להוביל לערכים לא נכונים של רכיב, כאשר משתמשים בתרשים עבור אלמנטים מגושים, התגובה המוצגת היא נורמלית; עליך להכפיל את ZIRFLT:0maxirFLT:1 כדי להשיג בפועל.

השפעות פרדוקסטיות

בתדרים גבוהים יותר, טפילים רכיב (סדרה של קיבולים, קיבול מעיים של אינדוקטורים) לשנות את הדחף.הטבלה סמית' יכול לעצב אותם אם אתה מוסיף אותם כמו סדרה / אלמנטים נוספים.

שלב הרהורים Coefficient

VWR תלוי רק ב- ⁇ , אבל השלב של ⁇ הוא חיוני לקביעת היכן להציב עוקץ.טבלת סמית ' מעניקה הן גודל והן שלב, כך תמיד לציין את הזווית כאשר מבצעים שינויים.

מסקנה

ה- Smith Chart ו- VSWR הם שותפים בלתי נפרדים בניתוח מערכת אנטנה. VSWR מספק מדד כמותי ברור של חוסר התאמה, בעוד ה- Smith Chart מציע אמצעי ראייה אינטואיטיבי להבנה ותיקון זה לא מתאים. על ידי למידה לנווט את מעגלי VSWR הקבוע על התרשים, מהנדסים יכולים להעריך במהירות ביצועים אנטנה מופשטים, עיצוב רשתות התאמה יעילות, ותקלות במערכת הרדיו.

לסיכום, הטבלה סמית' אינה רק חידוש היסטורי; היא כלי חי שממשיך לחסוך שעות חישוב ומספק תובנות עמוקות להתנהגות של אימפולסים. בשילוב עם VSWR כמדד מפתח, היא מעצימה מהנדסים להשיג את המטרה הסופית של כל מערכת אנטנה: העברת כוח מקסימלית עם השתקפות מינימלית.