CN104320100B - 一种基于Smith圆图的多频匹配系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于Smith圆图的多频匹配系统，包括：多频数据输入模块，用于同时并行输入多个起始阻抗值并设定Smith圆图归一化参考阻抗，其中，所述多个起始阻抗值对应的频率不相同；控制面板模块，用于提供多个电路元件的控制按钮，其中，所述多个电路元件根据用户选择的控制按钮组成电路单元；结果计算和显示模块，所述结果计算和显示模块与所述多频数据输入模块和所述控制面板模块相连，用于计算并显示不同频率的多个起始阻抗值对应的阻抗点在Smith圆图中位置、所述多个起始阻抗值在并联/串联所述电路元件后输入阻抗在Smith圆图的变化和对应的实时反射系数，以进行多频共时匹配。本发明计算精度高，简单易用，方便用户进行多频匹配和调谐。
Description
技术领域
本发明涉及多频匹配技术领域，特别涉及一种基于Smith圆图的多频匹 配系统。
背景技术
Smith圆图是众多流行的计算机微波设计软件和微波检测设备中的重要 组成部分，为进行阻抗匹配提供了可视化。Smith圆图将发射系数、输入阻 抗等直观展现在图形中。阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内阻抗互相适配， 达到最大功率输出或最小反射等目标的一种工作状态。要通过Smith圆图进 行阻抗匹配，首先将负载阻抗用Smith圆图的参考阻抗进行归一化，找到其 对应在Smith圆图上的点，通过串联或并联电容、电感等元件，改变输入阻 抗的值，相应在Smith圆图上表现为输入阻抗值沿一定轨迹(例如等电阻圆、 等电抗圆等)发生变化，最终到达Smith圆图的匹配点。
随着无线通信技术的迅猛发展，传统的单频段通信系统逐渐向多频段的 方向发展，为了满足多频段工作的需求，通信系统的收发信机应具备工作在 多个频段的功能，以实现小型化，增加灵活性并减少成本，而多频匹配是多 频微波器件的设计基础和核心，因此，设计和实现多频匹配电路具有深远意 义。然而，目前只有双频匹配可由解析公式方法计算得到，而双频解析方法 依赖于匹配结构，即先确定匹配结构，后进行计算，这种方法由于受匹配结 构适用性、频率间隔、求解难度以及电路可实现性等方面的限制，往往需要 针对同一结构进行多次计算，甚至针对多种结构进行多次计算，计算过程复 杂、繁琐，目前三频或以上频率尚无可遵循的解析设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Smith圆图的多频匹配系统，该系统计算 精度高，简单易用，方便用户进行多频匹配和调谐。
为实现上述目的，本发明的实施方式提出一种基于Smith圆图的多频匹 配系统，包括：多频数据输入模块，用于同时并行输入多个起始阻抗值并设 定Smith圆图归一化参考阻抗，其中，所述多个起始阻抗值对应的频率不相 同；
控制模块，用于为所述起始阻抗值提供以串联和/或并联方式相连的多个 电路元件；
计算模块，与所述多频数据输入模块和所述控制模块相连，用于计算所 述多个起始阻抗值在通过所述电路元件后在Smith圆图中的实时位置和对应 的实时反射系数；
显示模块，与所述多频数据输入模块和所述计算模块相连，用于显示所 述多频数据输入模块所输入的多个起始阻抗值对应的阻抗点在Smith圆图中 的位置、所述计算模块所计算的多个起始阻抗值在并联/串联所述电路元件后 在Smith圆图中的实时位置和对应的实时反射系数，当多个阻抗点同时到达 圆点或满足预定的反射系数时，即完成了多频阻抗匹配。
根据本发明的一个方面，多个起始阻抗值不同且所对应的频率不同。
根据本发明的另一个方面，所述计算模块进一步用于,根据所述起始阻抗 值通过下式
计算输入第i个起始阻抗值所对应的反射系数,i＝1,2,3…，其中，Zi是 输入的第i个起始阻抗值，Z0是所述Smith圆图归一化参考阻抗，Γi是输 入第i个起始阻抗值时所对应的反射系数。
根据本发明的又一方面，所述计算模块进一步用于,根据所述起始阻抗值 通过下式
计算第i个起始阻抗值所对应的实时反射系数,i＝1,2,3…，其中，Zi是第i个起始阻抗值所对应的第i个阻抗点的当前阻抗值，Z0是所述Smith 圆图归一化参考阻抗，Γi是所述第i个起始阻抗值当前对应的反射系数。
根据本发明的再一方面，，所述多个电路元件包括电阻、电容、电感和传 输线；所述以串联和/或并联方式相连的多个电路元件包括：串联电阻、并联 电阻、串联电容、并联电容、串联电感、并联电感、并联开路枝节、并联短 路枝节、串联传输线；
所述控制模块还包括：取消子模块。
根据本发明的一个方面，所述控制面板模块根据用户每次选择的电路元 件，组成多个电路结构的电路单元。
根据本发明的另一个方面，所述显示模块进一步用于显示多个起始阻抗 值在通过不同电路元件后输入阻抗值在Smith圆图的运动轨迹。
根据本发明的再一个方面，所述显示模块进一步用于：
(1)显示第i个起始阻抗值在通过串联电阻电路元件后第i个阻抗值所 对应的第i个阻抗点沿着所在的等电抗圆向电阻增大的方向运动的运动轨迹， 所述等电抗圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，xi是第i个起 始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电抗，是所述归一化电抗的模值；
(2)显示第i个起始阻抗值在通过并联电阻电路元件后第i个阻抗值所 对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电纳圆向电导增大的方向运动的运动 轨迹，所述等电纳圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，bi是 第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电纳，是所述归一化电纳的 模值；
(3)显示第i个起始阻抗值在通过串联电容电路元件后第i个阻抗值所 对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电阻圆逆时针运动的运动轨迹，所述 等电阻圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，ri是第i个起始 阻抗值所对应的Smith圆图归一化电阻；
(4)显示第i个起始阻抗值在通过并联电容电路元件后第i个阻抗值所 对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆顺时针运动的运动轨迹，所述 等电导圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个 起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电导；
(5)显示第i个起始阻抗值在通过串联电感电路元件后第i个阻抗值所 对应的第i个阻抗点沿着所在的等电阻圆顺时针运动的运动轨迹，所述等电 阻圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，ri是第i个起始阻抗 值所对应的Smith圆图归一化电阻；
(6)显示第i个起始阻抗值在通过并联电感电路元件后第i个阻抗值所 对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆逆时针运动的运动轨迹，所述 等电导圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个 起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电导；
(7)显示第i个起始阻抗值在通过并联开路枝节电路元件后第i个阻抗 值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆顺时针运动的运动轨迹， 所述等电导圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第 i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电导；
(8)显示第i个起始阻抗值在通过并联短路枝节电路元件后第i个阻抗 值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆逆时针运动的运动轨迹， 所述等电导圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第 i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电导；
(9)显示第i个起始阻抗值在通过串联传输线电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在圆顺时针运动的运动轨迹，所在圆圆心 是半径是 i＝1,2,3…，其中，Zib(i)是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化阻 抗，Γrb(i)、Γib(i)分别表示第i个阻抗点运动前反射系数的实部与虚部，Γra(i)、 Γia(i)分别表示第i个阻抗点运动后反射系数的实部与虚部，|.|是变量的模值。 根据本发明的又一个方面，所述计算模块还用于计算每个电路元件的阻抗值， 所述显示模块还用于显示每个电路元件的电路图，以及显示每个电路元件的 值。
根据本发明的另一个方面，所述计算模块进一步用于：
(1)当用户选择串联电阻时，用户在Value处输入串联电阻的阻抗值， 根据下面公式计算出选择串联电阻后的归一化阻抗值Zia，
Value＝Z0(Zia-Zib)
其中，Value是串联电阻的阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择串联电阻前 第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电阻后第i个阻抗点对应 的归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值；
(2)当用户选择并联电阻时，用户在Value处输入并联电阻的阻抗值， 根据下面公式计算出并联电阻后的归一化阻抗值Zia，
其中，Value是并联电阻的阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联电阻前 第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电阻后第i个阻抗点对应 的归一化阻抗值，Yib是选择并联电阻前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联电阻后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是 Smith圆图归一化参考阻抗值；
(3)当用户选择串联电容时，用户在Value处输入串联电容的电容值， 根据下面公式计算出串联电容后的归一化阻抗值Zia，
其中，Value是串联电容的电容值，单位是pF，Zib是选择串联电容前第 i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电容后第i个阻抗点对应的 归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i 个阻抗点对应的频率；
(4)当用户选择并联电容时，用户在Value处输入并联电容的电容值， 根据下面公式计算出并联电容后的归一化阻抗值Zia，
其中，Value是并联电容的电容值，单位是pF，Zib是选择并联电容前第 i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电容后第i个阻抗点对应的 归一化阻抗值，Yib是选择并联电容前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联电容后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是 Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i个阻抗点对应的频率；
(5)当用户选择串联电感时，用户在Value处输入串联电感的电感值， 根据下面公式计算出串联电感后的归一化阻抗值Zia，
其中，Value是串联电感的电感值，单位是nH，Zib是选择串联电感前第 i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电感后第i个阻抗点对应的 归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i 个阻抗点对应的频率；
(6)当用户选择并联电感时，用户在Value处输入并联电感的电感值， 根据下面公式计算出并联电感后的归一化阻抗值Zia，
其中，Value是并联电感的电感值，单位是nH，Zib是选择并联电感前第 i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电感后第i个阻抗点对应的 归一化阻抗值，Yib是选择并联电感前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联电感后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是 Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i个阻抗点对应的频率；
(7)当用户选择并联开路枝节时，用户在Value处输入并联开路枝节的 电长度，在ZO处输入并联开路枝节的特征阻抗值，根据下面公式计算出并联 开路枝节后的归一化阻抗值Zia，
其中，Value是并联开路枝节的电长度，单位是Deg，ZO是并联开路枝 节的特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联开路枝节前第i个阻抗点对应 的归一化阻抗值，Zia是选择并联开路枝节后第i个阻抗点对应的归一化阻抗 值，Yib是选择并联开路枝节前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择 并联开路枝节后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith 圆图归一化参考阻抗值；
(8)当用户选择并联短路枝节时，用户在Value处输入并联短路枝节的 电长度，在ZO处输入并联短路枝节的特征阻抗值，根据下面公式计算出并联 短路枝节后的归一化阻抗值Zia，
其中，Value是并联短路枝节的电长度，单位是Deg，ZO是并联短路枝 节的特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联短路枝节前第i个阻抗点对应 的归一化阻抗值，Zia是选择并联短路枝节后第i个阻抗点对应的归一化阻抗 值，Yib是选择并联短路枝节前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择 并联短路枝节后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith 圆图归一化参考阻抗值；
(9)当用户选择串联传输线时，用户在Value处输入串联传输线的电长 度，在ZO处输入串联传输线的特征阻抗值，根据下面公式计算出串联传输线 后的归一化阻抗值Zia，
其中，Value是串联传输线的电长度，单位是Deg，ZO是串联传输线的 特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择串联传输线前第i个阻抗点对应的归一 化阻抗值，Zia是选择串联传输线后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值， i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值。
本发明实施方式的基于Smith圆图的多频匹配系统，可以同时输入多个 不同频率的阻抗值，并且能够及时地将其归一化结果显示在Smith圆图中相 应位置上，多个阻抗点通过同一电路单元时所实现的阻抗值变化可以清楚地 呈现。其中，通过串并联元件后，圆图上的各点均会沿着各自相应的轨迹进 行走动，最终实现多频匹配。并且本发明具有图形用户界面，计算精度高， 简单易用，方便用户进行多频匹配和调谐。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的基于Smith圆图的多频匹配系统的整体结 构图；
图2是根据本发明实施方式的多频数据输入模块的频率输入和负载阻抗 值输入的示意图；
图3是根据本发明实施方式的控制模块的电路元件的示意图；
图4a是根据本发明实施方式的结果计算和显示模块显示的阻抗值在圆 图中位置的示意图；
图4b是根据本发明实施方式的结果计算和显示模块显示的实时反射系 数的示意图；
图4c是根据本发明实施方式的结果计算和显示模块显示的串、并联电路 元件的电路图和每个电路元件的值的示意图；
图5a是根据本发明优选实施方式的基于Smith圆图的多频匹配系统的多 频Smith圆图示意图；
图5b是图5a所示实施方式的基于Smith圆图的多频匹配系统的电路单 元的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施 方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例 性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结 构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提出的基于Smith圆图的多频匹配系统涉及电磁场、微波技术与 天线等领域，确切的说，涉及多频匹配领域，可以作为一种多频Smith圆图 实用工具。
本发明可在Smith圆图中同时针对多个频率对应的单个或多个起始阻抗 进行共时匹配，以多个阻抗值为匹配起始点，同时显示多个频率的多个起始 阻抗值经过同一电路单元后输入阻抗的变化情况，实现多频共时匹配，方便 用户进行实时查看以及阻抗匹配调节，实现多频共时匹配。
图1为根据本发明实施方式的基于Smith圆图的多频匹配系统的结构图。
如图1所示，本发明实施方式提供的基于Smith圆图的多频匹配系统， 包括多频数据输入模块101、控制面板模块102和计算模块103和显示模块 104。
具体地，多频数据输入模块101的输入值包括频率输入1与负载阻抗值 输入2，用于并行输入多个起始阻抗值并设定Smith圆图归一化参考阻抗Z0。 需要说明的是，Smith圆图归一化参考阻抗Z0是为了后续计算归一化阻抗值 使用，即输入阻抗除以Smith圆图归一化参考阻抗等于归一化阻抗值。其中， 多个起始阻抗值对应的工作频率不相同。换言之，多频数据输入模块101可 以同时并行输入多个不同频率及其相应的任意阻抗值。
图2是根据本发明实施方式的多频数据输入模块的频率输入和负载阻抗 值输入的示意图。
参考图2，频率为Freq1的负载阻抗Load Impedance1，频率为Freq2 的负载阻抗Load Impedance2，频率为Freq3的负载阻抗Load Impedance3。
在本发明的实施方式中，多个起始阻抗值不同且所对应的频率也不同， 即具有不同频率的多个不同阻抗值。即Load Impedance1、Load Impedance2 和Load Impedance3的阻抗值不相同，且Freq1、Freq2和Freq3也不相同。
控制模块102用于为起始阻抗值提供以串联和/或并联方式相连的多个 电路元件。其中，多个电路元件通过控制按钮进行选择，以及根据用户选择 的控制按钮组成电路单元。
图3是根据本发明实施方式的控制模块的电路元件空间的示意图。
多个电路元件包括电阻、电容、电感和/或传输线等。
以串联和/或并联方式相连的多个电路元件包括串联电阻、并联电阻、串 联电容、并联电容、串联电感、并联电感、并联开路枝节、并联短路枝节和/ 或串联传输线等。
此外，控制模块102还包括取消子模块。
进一步，控制模块102根据用户每次选择的电路元件组成多个电路结构 的电路单元，即电容、电感、电阻、传输线的串并联操作，形成多个不同的 电路单元。
计算模块103与多频数据输入模块101和控制模块102相连，用于计算 多个起始阻抗值在通过电路元件后在Smith圆图中的实时位置和对应的实时 反射系数，从而实现多频共时匹配，当多个阻抗点同时到达圆点(反射系数 为0时)或预定反射系数范围内时，即实现了多频阻抗匹配。
需要说明的是，Smith圆图的作用就是为了方便使用者观察匹配情况， 并进行相应的调节。
图4a是根据本发明实施方式的结果计算和显示模块显示的阻抗值在 Smith圆图中位置的示意图。
如图4a所示，显示模块104在用户通过多频数据输入模块101输入多个 不同频率下的相应阻抗值之后，实时显示相应的阻抗点在Smith圆图中的位 置。
图4b是根据本发明实施方式的结果计算和显示模块显示的实时反射系 数的示意图。
具体地，计算模块103进一步用于根据起始阻抗值通过下式(1)
计算输入第i个起始阻抗值所对应的反射系数Γi，i＝1,2,3…，其中，Zi是输入的第i个起始阻抗值，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗。
计算模块103进一步用于,根据起始阻抗值通过下式
计算第i个起始阻抗值所对应的实时反射系数Γi，i＝1,2,3…，其中， Zi是第i个起始阻抗值所对应的第i个阻抗点的当前阻抗值，Z0是Smith 圆图归一化参考阻抗。
显示模块104与多频数据输入模块101和计算模块103相连，用于显示 多频数据输入模块101所输入的多个起始阻抗值对应的阻抗点在Smith圆图 中的位置、计算模块103所计算的多个起始阻抗值在并联/串联所述电路元件 后在Smith圆图中的实时位置和对应的实时反射系数，当多个阻抗点同时到 达圆点或满足预定的反射系数时，即完成了多频阻抗匹配。
图4c是根据本发明实施方式的显示模块显示的串、并联阻抗值的示意图。
计算模块103计算多个起始阻抗值在通过不同电路单元后，由显示模块 104显示输入阻抗在Smith圆图的变化，包括显示输入阻抗在Smith圆图的 运动轨迹。
具体地，显示模块104在用户选择控制面板不同的电路元件时，各部分 发生相应变化。Smith圆图上阻抗点按照选择按钮不同，沿着相应轨迹运动， 显示模块4显示其运动轨迹满足下列要求：
(1)用户通过控制模块102选择串联电阻时，形成串联电阻电路单元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过串联电阻电路元件后第i个 阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着所在的等电抗圆向电阻增大的方向运动的 运动轨迹，每个阻抗点沿着各自所在的等电抗圆向电阻增大的方向运动，其 中，等电抗圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中其中，xi是第i 个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电抗，是归一化电抗的模值；
(2)用户通过控制模块102选择并联电阻时，形成并联电阻电路单元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过并联电阻电路元件后第i个 阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电纳圆向电导增大的方向运 动的运动轨迹，每个阻抗点沿着各自所在的等电纳圆向电导增大的方向运动， 其中，等电纳圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，bi是第i 个负载阻抗的归一化电纳，是归一化电纳的模值；
(3)用户通过控制模块102选择串联电容时，形成串联电容电路单元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过串联电容电路元件后第i个 阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电阻圆逆时针运动的运动轨 迹，每个阻抗点沿着各自所在的等电阻圆逆时针运动，其中，等电阻圆圆心 是半径是i＝1,2,3…，其中，ri是第i个起始阻抗值所对应 的Smith圆图归一化电阻；
(4)用户通过控制模块102选择并联电容时，形成并联电容电路单元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过并联电容电路元件后第i个 阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆顺时针运动的运动轨 迹，每个阻抗点沿着各自所在的等电导圆顺时针运动，其中，等电导圆圆心 是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个起始阻抗值所 对应的Smith圆图归一化电导；
(5)用户通过控制模块102选择串联电感时，形成串联电感电路单元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过串联电感电路元件后第i个 阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着所在的等电阻圆顺时针运动的运动轨迹， 每个阻抗点沿着各自所在的等电阻圆顺时针运动，其中，等电阻圆圆心是 半径是i＝1,2,3…，其中，ri是第i个起始阻抗值所对应的 Smith圆图归一化电阻；
(6)用户通过控制模块102选择并联电感时，形成并联电感电路单元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过并联电感电路元件后第i个 阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆逆时针运动的运动轨 迹，每个阻抗点沿着各自所在的等电导圆逆时针运动，其中，等电导圆圆心 是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个起始阻抗值所 对应的Smith圆图归一化电导；
(7)用户通过控制模块102选择并联开路枝节时，形成并联开路枝节电 路单元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过并联开路枝节电路元件后第 i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆顺时针运动的运 动轨迹，每个阻抗点沿着各自所在的等电导圆顺时针运动，其中，等电导圆 圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个起始阻抗 值所对应的Smith圆图归一化电导；
(8)用户通过控制模块102选择并联短路枝节时，形成并联短路枝节电 路单元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过并联短路枝节电路元件后第 i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆逆时针运动的运 动轨迹，每个阻抗点沿着各自所在的等电导圆逆时针运动，其中，等电导圆 圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个起始阻抗 值所对应的Smith圆图归一化电导；
(9)用户通过控制模块102选择串联传输线时，形成串联传输线电路单 元：
显示模块104显示第i个起始阻抗值在通过串联传输线电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在圆顺时针运动的运动轨迹，每 个阻抗点沿着各自所在圆顺时针运动，所在圆圆心是 半径是 i＝1,2,3…，其中，Zib(i)是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化阻 抗，Γrb(i)、Γib(i)分别表示第i个阻抗点运动前反射系数的实部与虚部，Γra(i)、 Γia(i)分别表示第i个阻抗点运动后反射系数的实部与虚部，|.|是变量的模值。
(10)选择取消操作，取消选择上一步控制面板选择操作。
进一步，计算模块103还用于计算每个电路元件的阻抗值，显示模块104 还用于显示每个电路元件的电路图，以及显示每个电路元件的值。
具体地，计算模块在用户选择控制面板不同的按钮时，各部分发生相应 变化。电路显示部分按照用户在控制面板的按钮选择，显示出相应的电路单 元。控制面板上按钮选择不同，用户输入Value和Z0要求不同，计算模块 103的计算结果满足下列要求：
(1)用户通过控制模块102选择串联电阻时，形成串联电阻电路单元， 用户在Value处输入串联电阻的阻抗值，根据下面公式计算出选择串联电阻 后的归一化阻抗值Zia：
Value＝Z0(Zia-Zib)，(3)
其中，Value是串联电阻的阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择串联电阻前 第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电阻后第i个阻抗点对应 的归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值；
(2)用户通过控制模块102选择并联电阻时，形成并联电阻电路单元， 用户在Value处输入并联电阻的阻抗值，根据下面公式计算出并联电阻后的 归一化阻抗值Zia：
其中，Value是并联电阻的阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联电阻前 第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电阻后第i个阻抗点对应 的归一化阻抗值，Yib是选择并联电阻前第i个阻抗点对应的归一化导纳值， Yia是选择并联电阻后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是 Smith圆图归一化参考阻抗值；
(3)用户通过控制模块102选择串联电容时，形成串联电容电路单元， 用户在Value处输入串联电容的电容值，根据下面公式计算出串联电容后的 归一化阻抗值Zia：
其中，Value是串联电容的电容值，单位是pF，Zib是选择串联电容前第 i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电容后第i个阻抗点对应的 归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i 个阻抗点对应的频率,*表示乘法运算；
(4)用户通过控制模块102选择并联电容时，形成并联电容电路单元， 用户在Value处输入并联电容的电容值，根据下面公式计算出并联电容后的 归一化阻抗值Zia：
其中，Value是并联电容的电容值，单位是pF，Zib是选择并联电容前第 i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电容后第i个阻抗点对应的 归一化阻抗值，Yib是选择并联电容前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联电容后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是 Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i个阻抗点对应的频率；
(5)用户通过控制模块102选择串联电感时，形成串联电感电路单元， 用户在Value处输入串联电感的电感值，根据下面公式计算出串联电感后的 归一化阻抗值Zia：
其中，Value是串联电感的电感值，单位是nH，Zib是选择串联电感前第 i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电感后第i个阻抗点对应的 归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i 个阻抗点对应的频率；
(6)用户通过控制模块102选择并联电感时，形成并联电感电路单元， 用户在Value处输入并联电感的电感值，根据下面公式计算出并联电感后的 归一化阻抗值Zia：
其中，Value是并联电感的电感值，单位是nH，Zib是选择并联电感前第 i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电感后第i个阻抗点对应的 归一化阻抗值，Yib是选择并联电感前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联电感后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是 Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i个阻抗点对应的频率；
(7)用户通过控制模块102选择并联开路枝节时，形成并联开路枝节电 路单元，用户在Value处输入并联开路枝节的电长度，在ZO处输入并联开路 枝节的特征阻抗值，根据下面公式计算出并联开路枝节后的归一化阻抗值Zia：
其中，Value是并联开路枝节的电长度，单位是Deg，ZO是并联开路枝 节的特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联开路枝节前第i个阻抗点对应 的归一化阻抗值，Zia是选择并联开路枝节后第i个阻抗点对应的归一化阻抗 值，Yib是选择并联开路枝节前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择 并联开路枝节后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith 圆图归一化参考阻抗值；
(8)用户通过控制模块102选择并联短路枝节时，形成并联短路枝节电 路单元，用户在Value处输入并联短路枝节的电长度，在ZO处输入并联短路 枝节的特征阻抗值，根据下面公式计算出并联短路枝节后的归一化阻抗值Zia：
其中，Value是并联短路枝节的电长度，单位是Deg，ZO是并联短路枝 节的特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联短路枝节前第i个阻抗点对应 的归一化阻抗值，Zia是选择并联短路枝节后第i个阻抗点对应的归一化阻抗 值，Yib是选择并联短路枝节前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择 并联短路枝节后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith 圆图归一化参考阻抗值；
(9)用户通过控制模块102选择串联传输线时，形成串联传输线电路单 元，用户在Value处输入串联传输线的电长度，在ZO处输入串联传输线的特 征阻抗值，根据下面公式计算出串联传输线后的归一化阻抗值Zia：
其中，Value是串联传输线的电长度，单位是Deg，ZO是串联传输线的 特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择串联传输线前第i个阻抗点对应的归一 化阻抗值，Zia是选择串联传输线后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值， i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值。
图5a是根据本发明一优选实施方式的基于Smith圆图的多频匹配系统的 多频Smith圆图示意图。
图5b是图5a所示实施方式的基于smith圆图的多频匹配系统的电路单 元的示意图。
利用图5a所示的多频Smith圆图1，在频率1＝0.9GHz，起始阻抗 Z1＝24.959-j*13.898，频率2＝2.14GHz，起始阻抗Z2＝18.264-j*11.457，频 率3＝3.7GHz，起始阻抗Z3＝37.099+j*28.748时，经过图5b所示的同一匹配 电路，可以实现多频共时匹配。
如图5a所示，经过图5b所示匹配电路的第一个电路元件Za后，三个频 率下的三个阻抗值对应的阻抗点的位置分别变为Z1_a,Z2_a,Z3_a,其中，Za 是串联传输线，在频率为0.9GHz的条件下，串联传输线Za的电长度Value_a＝30.18Deg,特征阻抗Zo_a＝22.2Ohm。经过图5b所示匹配电路的第 二个电路元件Zb后，三个频率下的三个阻抗值对应的阻抗点的位置分别变为 Z1_b,Z2_b,Z3_b,其中，Zb是并联开路枝节，在频率为0.9GHz的条件下，串联传输线Zb的电长度Value_b＝53.18Deg,特征阻抗Zo_b＝31.6Ohm。经过图 5b所示匹配电路的第三个电路元件Zc后，三个频率下的三个阻抗值对应的 阻抗点的位置分别变为Z1_c,Z2_c,Z3_c,其中，Zc是串联传输线，在频率为 0.9GHz的条件下，串联传输线Zc的电长度Value_c＝53.18Deg,特征阻抗 Zo_c＝29.151Ohm。经过图5b所示匹配电路的第四个电路元件Zd后，三个频 率下的三个阻抗值对应的阻抗点的位置分别变为Z1_d,Z2_d,Z3_d,其中，Zd 是并联开路枝节，在频率为0.9GHz的条件下，串联传输线Zd的电长度 Value_d＝53.18Deg,特征阻抗Zo_d＝31.6Ohm。经过图5b所示的匹配电路后， 三个频率下的三个阻抗值对应的阻抗点同时到达预定反射系数范围内，即实 现了多频阻抗匹配。
根据本发明实施方式的基于Smith圆图的多频匹配系统，可以同时输入 多个不同频率的阻抗值，并且能够及时地将其归一化结果显示在Smith圆图 中相应位置上，多个阻抗点通过同一电路单元时所实现的阻抗值变化可以清 楚地呈现。其中，通过串并联元件后，圆图上的各点均会沿着各自相应的轨 迹进行运动，最终实现多频匹配。并且本发明具有图形用户界面，计算精度 高，简单易用，方便用户进行多频匹配和调谐。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释 本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和 范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和 边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (9)
1.一种基于Smith圆图的多频匹配系统，所述系统包括：
多频数据输入模块，用于并行输入多个起始阻抗值并设定Smith圆图归一化参考阻抗，其中，所述多个起始阻抗值对应的工作频率不相同；
控制模块，用于为所述起始阻抗值提供以串联和/或并联方式相连的多个电路元件；
计算模块，与所述多频数据输入模块和所述控制模块相连，用于计算所述多个起始阻抗值在通过所述电路元件后在Smith圆图中的实时位置和对应的实时反射系数；
显示模块，与所述多频数据输入模块和所述计算模块相连，用于显示所述多频数据输入模块所输入的多个起始阻抗值对应的阻抗点在Smith圆图中的位置、所述计算模块所计算的多个起始阻抗值在并联/串联所述电路元件后在Smith圆图中的实时位置和对应的实时反射系数，当多个阻抗点同时到达圆点或满足预定的反射系数时，完成了多频阻抗匹配；
所述显示模块进一步用于显示多个起始阻抗值在通过不同电路元件后输入阻抗值在Smith圆图的运动轨迹；
所述显示模块进一步用于，显示第i个起始阻抗值在通过串联电阻电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着所在的等电抗圆向电阻增大的方向运动的运动轨迹，所述等电抗圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，xi是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电抗，是所述归一化电抗的模值。
2.根据权利要求1所述的基于Smith圆图的多频匹配系统，其中，所述多个起始阻抗值不同且所对应的频率不同。
3.根据权利要求1所述的基于Smith圆图的多频匹配系统，其中，所述计算模块进一步用于,根据所述起始阻抗值通过下式
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</mrow>
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计算输入第i个起始阻抗值所对应的反射系数Γi，i＝1,2,3…，其中，Zi是输入的第i个起始阻抗值，Z0是所述Smith圆图归一化参考阻抗。
4.根据权利要求1所述的基于Smith圆图的多频匹配系统，其中，所述计算模块进一步用于,根据所述起始阻抗值通过下式
<mrow>
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计算第i个起始阻抗值当前所对应的实时反射系数Γi,i＝1,2,3…，其中，Zi是第i个起始阻抗值所对应的第i个阻抗点的当前阻抗值，Z0是所述Smith圆图归一化参考阻抗。
5.根据权利要求1所述的基于Smith圆图的多频匹配系统，其中，所述电路元件包括电阻、电容、电感和传输线；
所述以串联和/或并联方式相连的多个电路元件包括：串联电阻、并联电阻、串联电容、并联电容、串联电感、并联电感、并联开路枝节、并联短路枝节、串联传输线；
所述控制模块还包括取消子模块。
6.根据权利要求5所述的基于Smith圆图的多频匹配系统，其中，所述控制模块根据用户每次选择的电路元件，组成多个电路结构的电路单元。
7.根据权利要求6所述的基于Smith圆图的多频匹配系统，其中，所述显示模块进一步用于：
(1)显示第i个起始阻抗值在通过并联电阻电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电纳圆向电导增大的方向运动的运动轨迹，所述等电纳圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，bi是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电纳，是所述归一化电纳的模值；
(2)显示第i个起始阻抗值在通过串联电容电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电阻圆逆时针运动的运动轨迹，所述等电阻圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，ri是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电阻；
(3)显示第i个起始阻抗值在通过并联电容电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆顺时针运动的运动轨迹，所述等电导圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电导；
(4)显示第i个起始阻抗值在通过串联电感电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着所在的等电阻圆顺时针运动的运动轨迹，所述等电阻圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，ri是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电阻；
(5)显示第i个起始阻抗值在通过并联电感电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆逆时针运动的运动轨迹，所述等电导圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电导；
(6)显示第i个起始阻抗值在通过并联开路枝节电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆顺时针运动的运动轨迹，所述等电导圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电导；
(7)显示第i个起始阻抗值在通过并联短路枝节电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在的等电导圆逆时针运动的运动轨迹，所述等电导圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，gi是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化电导；
(8)显示第i个起始阻抗值在通过串联传输线电路元件后第i个阻抗值所对应的第i个阻抗点沿着各自所在圆顺时针运动的运动轨迹，所在圆圆心是半径是i＝1,2,3…，其中，Zib(i)是第i个起始阻抗值所对应的Smith圆图归一化阻抗，Γrb(i)、Γib(i)分别表示第i个阻抗点运动前反射系数的实部与虚部，Γra(i)、Γia(i)分别表示第i个阻抗点运动后反射系数的实部与虚部，|.|是变量的模值。
8.根据权利要求6所述的基于Smith圆图的多频匹配系统，其中，所述计算模块还用于计算每个电路元件的阻抗值，所述显示模块还用于显示每个电路元件的电路图，以及显示每个电路元件的值。
9.根据权利要求8所述的基于Smith圆图的多频匹配系统，其中，所述计算模块进一步用于：
(1)当用户选择串联电阻时，用户在Value处输入串联电阻的阻抗值，根据下面公式计算出选择串联电阻后的归一化阻抗值Zia，
Value＝Z0(Zia-Zib)
其中，Value是串联电阻的阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择串联电阻前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电阻后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值；
(2)当用户选择并联电阻时，用户在Value处输入并联电阻的阻抗值，根据下面公式计算出并联电阻后的归一化阻抗值Zia，
<mrow>
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其中，Value是并联电阻的阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联电阻前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电阻后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Yib是选择并联电阻前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联电阻后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值；
(3)当用户选择串联电容时，用户在Value处输入串联电容的电容值，根据下面公式计算出串联电容后的归一化阻抗值Zia，
<mrow>
<mi>V</mi>
<mi>a</mi>
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<mo>,</mo>
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其中，Value是串联电容的电容值，单位是pF，Zib是选择串联电容前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电容后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i个阻抗点对应的频率；
(4)当用户选择并联电容时，用户在Value处输入并联电容的电容值，根据下面公式计算出并联电容后的归一化阻抗值Zia，
<mrow>
<mi>V</mi>
<mi>a</mi>
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其中，Value是并联电容的电容值，单位是pF，Zib是选择并联电容前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电容后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Yib是选择并联电容前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联电容后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i个阻抗点对应的频率；
(5)当用户选择串联电感时，用户在Value处输入串联电感的电感值，根据下面公式计算出串联电感后的归一化阻抗值Zia，
<mrow>
<mi>V</mi>
<mi>a</mi>
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</mrow>
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<mo>,</mo>
</mrow>
其中，Value是串联电感的电感值，单位是nH，Zib是选择串联电感前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联电感后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i个阻抗点对应的频率；
(6)当用户选择并联电感时，用户在Value处输入并联电感的电感值，根据下面公式计算出并联电感后的归一化阻抗值Zia，
<mrow>
<mi>V</mi>
<mi>a</mi>
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其中，Value是并联电感的电感值，单位是nH，Zib是选择并联电感前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联电感后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Yib是选择并联电感前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联电感后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值，fi是第i个阻抗点对应的频率；
(7)当用户选择并联开路枝节时，用户在Value处输入并联开路枝节的电长度，在ZO处输入并联开路枝节的特征阻抗值，根据下面公式计算出并联开路枝节后的归一化阻抗值Zia，
<mrow>
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<mo>,</mo>
</mrow>
其中，Value是并联开路枝节的电长度，单位是Deg，ZO是并联开路枝节的特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联开路枝节前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联开路枝节后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Yib是选择并联开路枝节前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联开路枝节后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值；
(8)当用户选择并联短路枝节时，用户在Value处输入并联短路枝节的电长度，在ZO处输入并联短路枝节的特征阻抗值，根据下面公式计算出并联短路枝节后的归一化阻抗值Zia，
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其中，Value是并联短路枝节的电长度，单位是Deg，ZO是并联短路枝节的特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择并联短路枝节前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择并联短路枝节后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Yib是选择并联短路枝节前第i个阻抗点对应的归一化导纳值，Yia是选择并联短路枝节后第i个阻抗点对应的归一化导纳值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值；
(9)当用户选择串联传输线时，用户在Value处输入串联传输线的电长度，在ZO处输入串联传输线的特征阻抗值，根据下面公式计算出串联传输线后的归一化阻抗值Zia，
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其中，Value是串联传输线的电长度，单位是Deg，ZO是串联传输线的特征阻抗值，单位是Ohm，Zib是选择串联传输线前第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，Zia是选择串联传输线后第i个阻抗点对应的归一化阻抗值，i＝1,2,3…，Z0是Smith圆图归一化参考阻抗值。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201410547005.6A CN104320100B (zh) | 2014-10-16 | 2014-10-16 | 一种基于Smith圆图的多频匹配系统 |
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ID=52375297
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