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1、 湖 南 工 业 大 学 课 程 设 计 资 料 袋 计算机与通信 学院（系、部） 2012-2013 学年第 二 学期课程名称： 微波通信 指导教师： 邱银安 职称 副教授 学生姓名： 阙尧 专业班级 通信工程102班 学号 10408200411 设计题目： 史密斯圆图的软件设计 成 绩： 起止日期： 2013 年 6月 18日 至 2013 年 6月 25 日目录清单序号材料名称资料数量备注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸22张456 湖南工业大学课程设计任务书2012 2013 学年第 二 学期 计算机与通信 学院（系、部） 通信工程 专业 102 班级课程名称： 微
2、 波 通 信 设计题目： 史密斯圆图的软件设计 完成期限：自 2013 年 6 月 18 日至 2013 年 6 月 25 日共 1 周内容及任务1设计内容 1) 了解史密斯圆图的基本原理 2) 用软件进行仿真2设计任务 1) 完成史密斯圆图的设计 2) 完成硬件测量 3) 完成软件仿真 4) 调试和分析进度安排起止日期工作内容2013.6.18任务分配和讨论2013.6.19传输线阻抗匹配设计2013.6.20硬件的测量2013.6.21软件的仿真2013.6.222013.6.23调试和分析2013.6.24-2013.6.25课程设计说明书和任务书的填写主要参考资料1 王新稳，微波技术与
3、天线，电子工业出版社。2 甘本拨 吴万春，现代微波滤波器的结构与设计，科学出版社。3 吴万春，梁昌洪，微波网络及其应用，国防工业出版社。指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日 微波通信课程设计说明书 史密斯圆图的软件设计起止日期： 2013年6月18日 至 2013年6月25日学生姓名 阙 尧班级 通信102班学号10408200411成绩指导教师(签字) 计算机与通信学院 2013年 6 月 25日课题名称史密斯圆图的软件设计人 数 6组 长 邱存伟同组人员 李娟、魏霞、伍海、阙尧、申茗中课题的主要内容和要求1、 传输线阻抗匹配问题1）阻抗匹配的重要性2）阻抗匹
4、配的实现2、SMITH圆图的构成原理1）反射系数圆2）阻抗圆3、SMITH圆图Matlab的实现具体任务1设计内容 1) 了解史密斯圆图的基本原理 2) 用软件进行仿真2设计任务 1) 完成史密斯圆图的设计 2) 完成硬件测量 3) 完成软件仿真 4) 调试和分析时间安排与完成情况6.18-6.19 预习史密斯圆图原理等理论知识；6.19-6.20 设计设计史密斯圆图；6.21-6.22 利用软件仿真史密斯圆图；6.23-6.25 系统联调，测试，总结报告 目 录一、前言1二、传输线阻抗匹配问题22.1 阻抗匹配的重要性22.2 阻抗匹配的实现22.2.1用阻抗变换器进行阻抗匹配32.2.2支
5、节匹配器的计算4三、SMITH圆图的构成原理53.1反射系数圆53.2 阻抗圆图7四、SMITH圆图Matlab的实现104.1 圆图的绘制104.2 SMITH圆图软件的设计104.3 程序操作步骤16五、设计总结17六、参考文献.17七、附录18 一、前言工程中常采用smith圆图来分析传输线问题，传输线能引导电磁波沿一定的方向传输，为了提高传输线传输能量的效率，将输入的能量尽最大可能传给终端负载，需要保证传输线的终端的负载与其特性阻抗匹配，即传输线此时处于阻抗匹配状态。阻抗匹配的方法有很多种，它们大致上可以分为以下四种类型：(1)计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻
6、抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能，对使用者的要求高。(2)手工计算: 这是一种极其繁琐的方法，需要用到较长的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 (3)经验: 只有在微波通信领域工作过多年的人才能使用这种方法，只适合于资深的专家。 (4)smith圆图: 一般最常用的方法。smith圆图早在计算机时代之前的1930年就被P.H.smith所开发。它是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。smith圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。使用它，可以在不作任何计算的前提下得到一个表面上看非常复杂的系统
7、的匹配阻抗，唯一需要做的就是沿着圆周线，根据电长度读取并跟踪数据。正是由于其只是涉及到简单的数学运算,方便而又直观，在解决阻抗匹配问题时，得到广泛的应用。 二、传输线阻抗匹配问题2.1 阻抗匹配的重要性传输线理论指出，通常情况下,传输线传输的电压或电流是由该点的入射波和反射波叠加而成的,或者说是由行波和驻波叠加而成的。当传输线的负载阻抗与传输线特性阻抗相等时,线上只存在入射波而无反射波,称之为负载阻抗匹配。负载阻抗匹配时，匹配负载可以从匹配源中获取最大的功率，而且在行波状态下，系统不存在发射损耗，系统传输效率高。负载阻抗匹配时，传输线工作在行波状态下，微波源处于稳定工作状态。如果负载失配时，这
8、样必然造成波源输出功率的变化。因而为了使工作系统稳定，阻抗匹配是十分重要的。传输线的阻抗匹配可消除以下种种不良影响,保证信号的正常传输。1)阻抗失配时 ,传输线上除了会出现入射波外 ,还会出现反射波 ,反射波的存在意味着传送到传输线终端的功率不能全部为负载所吸收 ,从而降低了传输效率。2)阻抗失配时,传输线上同时存在着行波和驻波 ,若信号电压比较高 ,则在电压波腹点容易产生介质击穿的现象。如欲避免击穿 ,势必采用尺寸较大和耐压较高的传输线 ,从而加大了投资。3)在行波和驻波同时存在的情况下 ,电流波腹点附近的电流振幅也高于正常值 ,产生的热量也比较大 ,附近的绝缘易被烧坏。4)在存在反射波的情
9、况下 ,从传输线始端向传输线看入的阻抗都将随着频率而变化。当传输含有若干频率的信号时 ,信号将会产生失真。5)对从天线向接收机传送电视信号的传输线来说 ,如若传输线两端都不能做到匹配相连 ,那么 ,将有信号在传输线上来回反射 ,不但降低了传输效率 ,还会使屏幕上的轮廓不清。2.2 阻抗匹配的实现 为了便于分析，假设传输线是均匀无损传输线，图1为传输线示意图。为特性阻抗，为终端负载阻抗。传输线上沿线的电压和电流分布为： 上式中 , ,分别为终端负载处的电压和电流入射波复数振幅，为相位常数，是终端负载处的电压反射系数 ,其值由终端负载和特性阻抗决定。 任意一点的输入阻抗为： 归一化阻抗为：用导纳表
10、示上述关系 ,将和代入以上关系式,得： 图12.2.1用阻抗变换器进行阻抗匹配变换器或称匹配线,是由长度为,特性阻抗为的线段构成。设有一个特性阻抗为的主传输线,终端负载为,此时,若将传输线直接与终端负载相接,便会在线上存在反射波,因而需要匹配的措施,办法之一就是采用特性阻抗为的变换器作为阻抗匹配线,连接方法如图2所示。图2由和可得: 这就是说,为了匹配,当采用匹配线来匹配时,只要它的特性阻抗等于所需匹配线的特性阻抗及的几何平均值,就可实现阻抗匹配。应当指出: 阻抗变换器原则上只用于匹配纯电阻性负载。当负载为复数阻抗,而且仍然需用变换器来匹配时,则变换器应在传输线电压波节处或波腹处接入,因为电压
11、波节处或波腹处的输入阻抗是纯电阻。2.2.2支节匹配器的计算 支节匹配有单支节、双支节和三支节匹配。其基本原理都相同,是在主传输线上并联适当的电纳,以产生附加反射波来抵消主传输线上原来的反射波,达到匹配的目的。此电纳(电抗)元件常用一段终端短路或终端开路的短截线来完成。这里以单支节匹配为例进行介绍。单支节匹配是在离终端适当位置上并联一可调短路线构成的。如图3所示,调节支节位置和支节长度，使左边主传输线达到匹配。图3从向负载看进去的主传输线输入导纳为: 从向短路线看入的输入导纳为:若想实现阻抗匹配，须有：，即上面就阻抗变化器和单枝节匹配器的原理进行了介绍，从理论上分析了其进行阻抗匹配的可行性，但
12、是求解过程比较复杂。为了计算方便和缩短计算时间，工程师们想了很多方法，smith圆图就是其中最常用的一个。三、SMITH圆图的构成原理3.1反射系数圆反射系数表征了传输线的反射特性，反映了传输线上存在的反射波的程度。史密斯圆图是通过验证阻抗匹配的负载产生的。用反射系数进行计算，反射系数可以反映负载的特性，在处理RF频率的问题时，更加有用。反射系数为传输线某点的反射波电压与该点入射波电压之比，即 （1）显然反射系数是个复数，其模反映反射点波的反射程度，其辐角是反射点反射电压与入射电压间的相位差。由式1得到： （2）式中，； 和 分别为入射波电压和反射波电压的初相角。令0，就得到负载处的反射系数为： （3）式3和式2相比显然由如下的关系，即 （4）式4表明，均匀无耗传输线上的反射系数的大小不变，由负载处反射系数的模决定，而相角以为周期随变化。由于，所以可以把一均匀传输线上的各种工作状态，用复平面上单位圆内的一簇同心圆表示出来，如图4所示：图4反射系数圆的半径，表示在相应状态下线上各点反射系数的大小。根据与驻波比和行波系数K的关系，即，。在反射系数圆上也可以对应和K的标度。如圆心0，即K1，1，表示线上的匹配点；当1时
