基于史密斯圆图实现天线阻抗匹配

概述

在现代无线通信系统中，天线阻抗匹配是确保信号高效传输的关键环节。阻抗失配不仅会导致信号反射、功率损耗，还可能影响整个系统的稳定性和性能。史密斯圆图（Smith Chart）作为一种经典的图形化工具，凭借其直观、高效的特点，成为射频工程师调试天线阻抗匹配的利器。它能够将复杂的复数阻抗变换过程可视化，帮助工程师快速完成阻抗匹配网络的设计与优化。

本文将介绍如何利用史密斯圆图分析和调整天线阻抗，涵盖基础理论、实际操作步骤，配合鼎阳的矢量网络分析仪为工程师提供天线阻抗匹配测试方案。

图片1 鼎阳SNA5008X-E矢网 & 史密斯圆图

01史密斯原图

史密斯圆图的核心组成部分之一是阻抗圆（Impedance Circles），它直观地表示归一化阻抗（Z/Z?）部（电阻分量）和虚部（电抗分量）的变化规律。阻抗圆由一系列等电阻圆（ResistanceCircles）和等电抗圆（Reactance Circles）构成，共同描绘出阻抗在复平面上的分布。图2中内切于史密斯圆图右侧开路点的一系列圆即是电阻圆，而由开路点发散出去的一系列弧线则是电抗圆。下文中串联元器件来实现阻抗匹配便是依托于电阻圆。

史密斯圆图不仅可以表示阻抗（Z），还可以通过导纳（Y = 1/Z）的形式进行分析。导纳（Admittance Circles）是阻抗圆的“对偶”表示，由等电导圆（Conductance Circles）和等电纳圆（Susceptance Circles）构成。图3中内切于史密斯圆图左侧短路点的一系列圆即是电导圆，而由短路点发散出去的一系列弧线则是电纳圆。下文中提过并联元器件进行阻抗匹配便是依托于电导圆实现的。

图片2 史密斯圆图阻抗圆

图片3 史密斯圆图导纳圆

史密斯圆图中，阻抗匹配的关键在于理解电抗（感性或容性）的变化规律，以及如何通过串联或并联元件调整阻抗。“上感下容，左并右串”这一口诀总结了史密斯圆图上阻抗变化的直接规律，帮助工程师快速判断匹配策略。

“上感下容”，上半圆（X>0）代表感性阻抗（+jX），即阻抗的虚部为正，如电感引入的感抗。下半圆（X<0）代表容性阻抗（-jX），即阻抗的虚部为负，如电容引入的容抗。根据这点，在做阻抗匹配的时候，若目标阻抗点位于上半圆，通常需要减少感抗或增加容抗（如并联电容或串联电容）；若位于下半圆，则需减少容抗或增加感抗（如并联电感或串联电感）。

“左并右串”，“左”指代左侧的电导圆，“右”指代右侧的电阻圆。若想要使阻抗点沿着左侧的电导圆移动，通常需要并联电容或电感。当并联电容时，阻抗点会沿着电导圆顺时针移动，而并联电感时，阻抗点则会沿着电导圆逆时针移动。若要使阻抗点沿着右侧的电阻圆移动，通常需要串联电容或电感。当串联电容时，阻抗点会沿着电阻圆逆时针移动，而串联电感时，阻抗点则会沿着电阻圆顺时针移动。

图片4 左电导圆/并L/逆时针

图片5 左电导圆/并C/顺时针

图片6 右电阻圆/串L/顺时针

图片7 右电阻圆/串C/拟时针

02阻抗匹配步骤

软件仿真

使用鼎阳的矢网测试2.4G天线的S11，将显示格式切换为史密斯圆图，测得2.4G频点处的阻抗为10+10j，将数据点添加到仿真软件中。

图片8 天线2.4G频点原始阻抗

为了将阻抗点匹配到史密斯圆图正中心的50Ω处，先串联L使得数据点沿着电阻圆顺时针移动到与50Ω等电导圆的交叉位置，之后再并联C使得数据点沿着电导圆顺时针移动到50Ω匹配点。

图片9 天线2.4G频点串联L并联C后阻抗

网分仿真

鼎阳的矢量网络分析仪不仅具备高精度的S参数测试能力，同样集成了阻抗匹配仿真功能，可帮助工程师快速优化天线、滤波器、功放等射频电路的阻抗匹配设计。该功能基于史密斯圆图可视化分析，结合自动化计算与仿真工具，显著提升调试效率。

点击CAL按键 > 夹具仿真 > 夹具仿真设置 > 选择相应port > Circuit Model。

选择合适的匹配电路，设置电容电感值，最后勾选“Enable Port Matching...”，同时打开夹具仿真应用。注意，双击“电路模型”可以将阻抗匹配窗口最小化，便于调试。

以下图中的设置为例，选择“Shunt C-Series L”（并联C-串联L），注意阻抗匹配时是从DUT往负载端看，所以实际上是先串联了2.15nH的电感L，再并联了8.5Pf的电容C，其他未使用到的参数（R/G）不做设置即可。橙色迹线Tr1是未进行匹配仿真的原始迹线，蓝色迹线Tr2是经过匹配仿真后的迹线，可以看到对应频点经过匹配后已经十分接近50Ω匹配点。

图片10 鼎阳矢网史密斯圆图阻抗匹配仿真

小结

本文简单介绍了史密斯圆图在阻抗匹配中的核心原理，配合"上感下容，左并右串"等实用口诀，提升匹配网络设计效率。同时介绍鼎阳矢量网络分析仪的阻抗匹配仿真功能，让工程师更加快速便捷的完成天线、放大器、滤波器等器件的阻抗匹配。

作者丨鼎阳科技 马烈旭

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