소프트웨어 정의 라디오 개발의 스미스 차트의 사용 (SDR) 시스템

Smith 차트는 라디오 주파수 (RF) 엔지니어링에서 가장 최종적인 그래픽 도구 중 하나이지만, 그 재량은 Software-Defined Radio (SDR)의 상승으로 성장했습니다. 1930 년대에 Phillip H. Smith가 개발 한이 극한의 플래티넘은 복잡한 임피던스와 반사 계수는 전송선 행동과 임피던스 일치를 시각화하는 직관적 인 방법을 제공합니다. SDR 시스템의 경우 재구성 및 광대역 작동이 필수적이며 Smith는 Smith의 튜닝 메커니즘과 통합을 통해 실질적으로 통합 된 튜닝 메커니즘을 통해 실질적인 통합하는 방법을 제공합니다.

Smith Chart의 기본

SDR-specific 애플리케이션으로 다이빙하기 전에 Smith 차트가 무엇인지 이해하는 것이 중요합니다. 차트는 일반화 임피던스 좌표에 복잡한 반사 계수 (Γ)의 매핑입니다. 반사 계수는 사건 파의 얼마나 많은 것을 설명하는 것은 임피던스 잡화로 인해 반영됩니다. 스미스 차트에서 각 지점은 독특한 임피던스 (R + jX)에 해당합니다. SDR 시스템의 일반적으로 50 옴.

비주얼화된 중요한 모수

Smith 차트는 동시에 여러 가지 중요한 RF 매개 변수를 표시합니다.

  • Impedance (Z): 일정한 저항 및 일정한 재량 원으로 표시.
  • Reflection Coefficient (Γ): 마그네슘 그리드에서 직접 읽는 진폭 및 각도.
  • Voltage Standing Wave Ratio (VSWR): 차트의 중심에서 거리에서 탈리.
  • 반환 손실:dB의 Γ의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 를 닮은.

이 값을 그릴 때 엔지니어는 신속하게 mismatch 및 Design 교정 네트워크를 평가 할 수 있습니다. 더 깊은 수학 기반을 위해 ]Smith Chart Entry on Wikipedia]를 참조하십시오.

왜 SDR 개발의 스미스 차트 매트릭스

소프트웨어 정의 라디오 시스템은 여러 주파수 및 변조 계획을 지원하는 재구성 가능한 하드웨어 및 디지털 신호 처리에 의존합니다. RF 프런트 엔드 - 안테나, 필터, 증폭기, 믹서를 포함한, 낮은 손실 및 최소 반사를 유지하면서 넓은 주파수 범위를 처리하는 것은 넓습니다. 스미스 차트는 3 가지 주요 이유에 대해 무방합니다.

  1. Wideband Impedance Matching: SDRs는 종종 메가 헤르츠의 수백을 걸쳐 작동; 매칭 네트워크는 여러 밴드를 동시에 커버하도록 설계되었습니다.
  2. Real-Time Tuning: 현대 SDR의 임베디드 컨트롤러는 Smith chart를 사용하여 주파수 변경으로 비행에 해당 네트워크를 조정합니다.
  3. 구성요소 선택 및 Sizing: 차트를 사용하여 구성요소 값 변경을 시뮬레이션하는 것은 프로토타입의 반복을 감소시킵니다.

주파수-Agile 시스템의 임피던스 일치

기존의 라디오에서 임피던스 매칭 네트워크는 단일 밴드에 고정됩니다. SDR의 프런트 엔드는 있지만 1 MHz에서 6 GHz 이상의 효율을 유지해야합니다. Smith 차트는 엔지니어가 모든 주파수의 관심을 통해 안테나의 임피던스를 플로우 할 수 있으며 그 전체 범위에서 허용 가능한 일치를 제공하는 매칭 네트워크를 설계합니다. 예를 들어 광대역 안테나는 차트를 순환하는 임피던스 포인트의 나선형을 보여줄 수 있습니다. 간단한 L-network, Multi-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L-L

실제 사례: SDR 안테나 튜너

많은 상업적인 SDRs는 임피던스를 측정하고 축전기와 유도자를 조정하는 자동적인 안테나 조율사를 포함합니다. 조율사는 효과적으로 50 옴 센터를 향해 스미스 도표에 임피던스 점을 이동합니다. 도표는 명확한 의견 반복을 제공합니다: 임피던스가 VSWR 원형 (예를들면 1.5:1) 외부로 이동하면, 관제사는 그것을 뒤로 가져올 것이다 성분 가치를 변화합니다. 이 닫히는 반복 조정은 Smith 도표가 완전한 표정의 명백한 판단을 주는 경우에만 가능합니다.

디자인 단계의 Smith Chart 사용

SDR 개발 중 Keysight ADS, AWR 마이크로파 오피스, 또는 오픈 소스 Qucs와 같은 시뮬레이션 도구는 Smith 차트 디스플레이를 통합합니다. 이 도구는 엔지니어를 허용합니다.

  • 구성 요소의 Plot S-parameters와 주파수에 임피던스 변화를 볼 수 있습니다.
  • 일련의 디자인 매칭 네트워크와 차트에 shunt 요소 추가.
  • 안정성과 신뢰성을 보장하기 위해 감도 분석 수행

단계별 매칭 네트워크 설계

2.4 GHz SDR 수신기 프런트 엔드의 전형적인 워크플로우는 다음과 같습니다.

  1. 2.45 GHz의 안테나 임피던스를 측정하거나 시뮬레이션하면 30 + j15 옴을 말합니다.
  2. 50 옴 정상화 된 스미스 차트에이 점을 뽑습니다.
  3. 원하는 임피던스를 결정하십시오: 50 + j0 옴 (센터).
  4. 매칭 네트워크 토폴로지 (예: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
  5. 차트를 사용하여, 션트 요소와 일정한 공제 원을 따라 이동, 다음 중심에 도달 할 때까지 시리즈 요소와 일정한 저항 원을 따라.
  6. 차트에서 필요한 구성 요소 값을 읽거나 정상화 된 교대에서 계산하십시오.

이 과정은 여러 잠재적 인 솔루션이 존재하는 경우 동시 방정식보다 훨씬 빠릅니다. 자세한 튜토리얼을 위해서는 ]를 참조하고 Smith 차트 및 S-parameter 측정에 대한 아날로그 장치 가이드 ]를 참조하십시오.

SDR에서 동적 임피던스 일치

SDR 시스템의 Smith 차트의 가장 진보 된 용도 중 하나는 역동적으로 재구성 가능한 매칭 네트워크의 개발입니다. 이 네트워크는 varactor 다이오드, PIN 다이오드 또는 MEMS 스위치를 사용하여 커패시턴스 및 실시간 유도를 변경합니다. Smith 차트는 튜닝 알고리즘의 "제어 표면"이됩니다.

  • Look-up table (LUTs): 다양한 시작점에서 중심까지의 임피던스를 이동하는 구성 요소 값의 사전 처리 세트. LUT는 Smith chart trajectories에서 파생됩니다.
  • Gradient descent: SDR 주기적으로 반사 계수(예를 들어 방향 커플러와 AD8302 이득/상 감지기를 통해)를 측정하고 현재 지점에서 중앙으로 스미스 차트의 거리를 최소화하기 위해 구성 요소를 조정합니다.
  • Machine Learning: Smith chart data에 훈련된 신경 네트워크는 해당 빈도 및 임의의 검색 없이 최적의 일치 상태를 예측할 수 있습니다.

사례 연구: 광대역 VHF/UHF SDR

FPGA는 FPGA(Congressable Gate array)에 의해 제어되는 tunable pi-network를 사용할 수 있습니다. FPGA는 반사된 전력, computes Γ 크기 및 단계, 그리고 정확한 용량 및 유도체 설정을 선택하기 위해 Smith 차트 기반 알고리즘을 참조합니다. 전체 일치 사이클은 마이크로 초에서 완료되며, 중요한 전력 손실 없이 주파수를 hop 주파수에 라디오를 허용합니다. 이 기능은 중요한 주파수를 위한 핵심 주파수 및 스펙트럼을 위한 것입니다.

Smith Chart와 시뮬레이션 및 테스트

현대 SDR 개발은 Smith 차트 추적을 표시하는 벡터 네트워크 분석기 (VNAs)에 크게 의존합니다. 프로토 타입 테스트 중 엔지니어는 SDR의 RF 포트에 VNA를 연결하고 주파수를 가로 질러 앞 엔드의 임피던스를 관찰합니다. 시뮬레이션 및 측정 사이 Discrepancies는 파라시틱, 빈 접지 또는 구성 요소 공차와 같은 문제를 나타냅니다.

Interpreting Smith 차트 측정

SDR 개발자의 경우, 전형적인 관측은 다음과 같습니다.

  • Clockwise 회전 주파수 증가: 전송 라인 길이 효과 표시; 더 짧은 추적 또는 shunt 요소와 비교.
  • 차트의 가장자리 근처에있는 구멍 : resonance 또는 instability를 제안; 종종 감쇠 저항기 또는 페라이트 구슬을 추가하여 수정.
  • ] 여러 밴드를 통해 스윕: 임피던스는 여러 지역에서 클러스터를 할 수 있습니다; 단일 매칭 네트워크는 스프라이트가 아니며, 전환된 은행이나 튜닝 가능한 요소의 사용을 초래할 수 없습니다.

VNA 기반 Smith 차트 분석에 대한 자세한 내용을 보려면 ]Keysight 애플리케이션에 대한 임피던스 측정를 참조하십시오.

SDR Context에 있는 이점 그리고 한계

Smith 차트는 SDR 개발에 대한 명확한 이점을 제공합니다.

  • Speed: 그래픽 솔루션은 종종 복잡한 수학보다 더 빠릅니다.
  • 입학:] Visual Feedback은 엔지니어가 구성요소의 효과를 파악하는 데 도움이 됩니다.
  • Flexibility:] 좁고 광대역 일치를 위해 작동.
  • Integration: 쉽게 자동화된 테스트 시스템과 실시간 제어 루프로 통합.

그러나 제한이 있습니다.

  • Display complexity: Crowded charts는 멀티 주파수 스윕을 위해 읽을 수 있습니다.
  • Accuracy: 인쇄 차트의 수동 해석은 컴퓨터 보조 디자인 (CAD) 계산보다 더 정확합니다.
  • Frequency Dependence:] 차트는 하나의 주파수에서 스냅 샷입니다. 여러 번 겹쳐 쌓이는 청소는 주의깊게 분석이 필요합니다.

이 drawbacks에도 불구하고 Smith 차트는 RF 엔지니어링 교육 및 연습의 표준 도구입니다. SDR 디자이너를 위해 계산 도구와 차트를 결합하여 세계를 가장 잘 제공합니다.

더 많은 학습을 위한 외부 리소스

SDR 시스템의 Smith 차트의 이해를 깊게 살펴보는 엔지니어는 다음과 같은 것을 탐구 할 수 있습니다.

관련 기사

Smith 차트는 SDR 시대에서 벗어났습니다. 금기적으로 그래픽 파워는 디지털 시뮬레이션과 실시간 제어에 의해 강화되었으며 주파수 가마일, 광대역 RF 프런트 엔드 개발을위한 필수 도구가되었습니다. 수동 설계, 자동화 된 튜닝 또는 VNA 기반 테스트에서 사용하든 Smith 차트는 엔지니어가 SDR 성능에 중앙 집중되는 문제와 시각적으로 반응하는 문제를 시각화하고 해결합니다. SDR 기술로 인해 더 높은 주파수를 유지하고 리어 디테일을 유지하고 리어 디테일을 유지하면서 리어 디테일을 유지하십시오. Smith 차트는 디스토믹스를 통해 혁신을 지속할 수 있습니다.