物联网射频识别(RFID)技术与应用课件.ppt

物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 射频基础知识点击此处结束放映点击此处结束放映与电子通信相关的射频概念与电子通信相关的射频概念1史密斯圆图史密斯圆图2S参数参数3ADS设计与仿真举例设计与仿真举例4物联网物联网射频识别（射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映与电子通信相关的射频概念与电子通信相关的射频概念1物联网物联网射频识别（射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用1.1 射频的概念射频的概念1、什么是、什么是射频射频 射频广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射频；是射频广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射频；是指该频率的载波功率能通过天线发射出去（反之亦然），以交指该频率的载波功率能通过天线发射出去（反之亦然），以交变的电磁场形式在自由空间以光速传播，碰到不同介质时传播变的电磁场形式在自由空间以光速传播，碰到不同介质时传播速率发生变化，也会发生电磁波反射、折射、绕射、穿透等，速率发生变化，也会发生电磁波反射、折射、绕射、穿透等，引起各种损耗。在金属线传输时具有趋肤效应现象。该频率在引起各种损耗。在金属线传输时具有趋肤效应现象。该频率在各种无源和有源电路中各种无源和有源电路中R、L、C各参数反映出是分布参数。各参数反映出是分布参数。信号采用的传输方式和信号的传输特性主要是由工作频率信号采用的传输方式和信号的传输特性主要是由工作频率决定的。决定的。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2、什么是、什么是射频电路射频电路 在电路设计中，当频率较高、在电路设计中，当频率较高、电路的尺寸可以与波长电路的尺寸可以与波长相比拟时相比拟时，电路可以称为射频电路。，电路可以称为射频电路。一般认为，当频率高于一般认为，当频率高于30MHz时电路的设计就需要考虑时电路的设计就需要考虑射频电路理论，而射频电路理论应用的典型频段为几百射频电路理论，而射频电路理论应用的典型频段为几百MHz至至4GHz（现已大于（现已大于4GHz），），在这个频率范围内，电路在这个频率范围内，电路需要考虑分布参数的影响需要考虑分布参数的影响，低频的基尔霍夫电路理论不再，低频的基尔霍夫电路理论不再适用。适用。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 50Hz的市电可以采用低频电路理论的市电可以采用低频电路理论50Hz的市电属于的市电属于ELF（极低频），对应的工作波长：（极低频），对应的工作波长：6000km这个工作波长比电路的尺寸大得多，对此工作频率完这个工作波长比电路的尺寸大得多，对此工作频率完全可以用低频的基尔霍夫电路理论进行电路设计。全可以用低频的基尔霍夫电路理论进行电路设计。2.4GHz无线局域网必须采用射频电路理论无线局域网必须采用射频电路理论 无线局域网的工作频率为无线局域网的工作频率为2.4GHz，对应的工作波长为：，对应的工作波长为：12.5cm这个工作波长比电路的尺寸可以相比拟，在此工作频率这个工作波长比电路的尺寸可以相比拟，在此工作频率下，低频的基尔霍夫电路理论不再适用，而应该用射频电路理下，低频的基尔霍夫电路理论不再适用，而应该用射频电路理论设计。论设计。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3、长线和短线的概念、长线和短线的概念 图（图（a）表示的是半波长的波形图，）表示的是半波长的波形图，AB是线上的一小段，它比是线上的一小段，它比波长小得多。由图可见，线段波长小得多。由图可见，线段AB上各点的电流或电压的幅度上各点的电流或电压的幅度和相位几乎不变，此时的线段和相位几乎不变，此时的线段AB是一段是一段“短线短线”。如果频率很高，。如果频率很高，虽然线段虽然线段AB的长度相同，但在某一瞬时线上各点电流或电压的长度相同，但在某一瞬时线上各点电流或电压的幅度和相位均有很大变化，如图（的幅度和相位均有很大变化，如图（b）所示，此时的线段）所示，此时的线段AB即应视为即应视为“长线长线”.我们把传输线的几何长度（我们把传输线的几何长度（L)与其上传输电信与其上传输电信号的波长（号的波长（）之比）之比L/，称为传输线的相对长度或者叫电长，称为传输线的相对长度或者叫电长度。度。点击此处结束放映点击此处结束放映电流电压沿线分布图（a）短线情况（b）长线情况 物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映图图1.1 终端短路的传输线终端短路的传输线物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 图图1.1所示的是终端短路传输线，根据射频电路理论会所示的是终端短路传输线，根据射频电路理论会得到距离短路终端得到距离短路终端l处的阻抗为处的阻抗为 （1-1）式中式中Z0为常数，为常数，Z0的取值范围一般为几十到几百之间。式的取值范围一般为几十到几百之间。式（1-1）改变了低频电路理论的观点，因为低频电路理论）改变了低频电路理论的观点，因为低频电路理论会认为会认为Zin=0。下面对式（。下面对式（1-1）加以数值分析。）加以数值分析。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映集肤效应集肤效应在电路中信号是通过导体传输的，导体存在集肤效应。在电路中信号是通过导体传输的，导体存在集肤效应。所谓集肤效应是指当频率升高时，电流只集中在导体的表面，所谓集肤效应是指当频率升高时，电流只集中在导体的表面，导体内部的电流密度非常小。集肤效应使导线的有效导电横导体内部的电流密度非常小。集肤效应使导线的有效导电横截面积减小，交流电阻增加。集肤效应如图截面积减小，交流电阻增加。集肤效应如图1.2所示所示图图1.2集肤效应集肤效应物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映可以用趋肤深度描述集肤效应的程度。趋肤深度可以用趋肤深度描述集肤效应的程度。趋肤深度定义为定义为式中式中为导体的磁导率，为导体的磁导率，为导体的电导率，导体内的电流主为导体的电导率，导体内的电流主要集中在导体表面的趋肤深度内。要集中在导体表面的趋肤深度内。在射在射频电频电路中，集肤效路中，集肤效应应引起引起电电路路损损耗急耗急剧剧增加，必增加，必须须考考虑虑分布分布电电阻阻对对射射频电频电路的影响。路的影响。射射频电频电路主要路主要应应用在无用在无线线通信通信领领域。域。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映低频和射频的关系低频和射频的关系低频电路理论只适用于低频电路设计，射频电路理论低频电路理论只适用于低频电路设计，射频电路理论有更大的适用范围，低频电路理论是射频电路理论的有更大的适用范围，低频电路理论是射频电路理论的特例特例。低频电路理论称为集总参数电路理论；射频电路理论低频电路理论称为集总参数电路理论；射频电路理论称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的最大最大特色特色。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映 射频电路的分布参数射频电路的分布参数 从正弦交流（从正弦交流（AC）电路分析中可以知道，电感）电路分析中可以知道，电感L（1nH）和）和电容电容C(1pF)的电抗的电抗XL和和XC与频率有关。与频率有关。(1)当当(2)当当结论：结论：低频低频时时1nH电感相当于短路，电感相当于短路，1pF电容相当于开路；电容相当于开路；3GHz时它们的影响必须考虑。时它们的影响必须考虑。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映传输线上的分布参数传输线上的分布参数 低频时什么都不用考虑，当频率达到射频以后，传低频时什么都不用考虑，当频率达到射频以后，传输线上直导线的电感分布不可忽略，输线上直导线的电感分布不可忽略，2根直导线之间的电容分根直导线之间的电容分布也不可忽略，等效为布也不可忽略，等效为b图。射频电路认为传输线上到处分布图。射频电路认为传输线上到处分布着电感和电容，所以射频电路也称为分布参数电路着电感和电容，所以射频电路也称为分布参数电路。由于分由于分布参数的存在，传输线上电压、电流和阻抗的分布与低频电布参数的存在，传输线上电压、电流和阻抗的分布与低频电路完全不同，射频传输线上信号出现了波动性，并导致路完全不同，射频传输线上信号出现了波动性，并导致反射反射产生，因此需要建立射频电路理论体系。产生，因此需要建立射频电路理论体系。图图1.3一段传输线一段传输线物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映均匀传输线方程均匀传输线方程传输线方程是研究传输线上电压、电流的变化规律，以传输线方程是研究传输线上电压、电流的变化规律，以及它们之间相互关系的方程。及它们之间相互关系的方程。对于均匀传输线，由于分布参对于均匀传输线，由于分布参数是沿线均匀分布的数是沿线均匀分布的，所以只考虑线元，所以只考虑线元dz的情况。的情况。图图1.4传输线上电压和电流的定义及其等效电路传输线上电压和电流的定义及其等效电路物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映线元线元dz可以看成集总参数电路，则线元可以看成集总参数电路，则线元dz上的电压和电流有上的电压和电流有如下关系：如下关系：对右上节点列对右上节点列KCL：物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映带入上页方程组，然后略去二阶无穷小量和带入上页方程组，然后略去二阶无穷小量和dz后得：后得：（1-2）式（式（1-2）称为均匀传输线方程，又称为电报方程。）称为均匀传输线方程，又称为电报方程。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映研究均匀传输线在始端电源角频率为研究均匀传输线在始端电源角频率为的正弦时间函数时电的正弦时间函数时电路的稳态分析：路的稳态分析：式（式（1-2）可以写成：物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映其中：其中：由于由于，仅为距离仅为距离z的函数，所以对的函数，所以对u,i的偏导数可以写成全的偏导数可以写成全导数。所以偏微分方程组就成了上面的全微分方程组。导数。所以偏微分方程组就成了上面的全微分方程组。上式再对上式再对z取一次导数得：取一次导数得：物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映将一阶微分式代入二阶微分式得：将一阶微分式代入二阶微分式得：二阶齐次线性微分方程的解为：二阶齐次线性微分方程的解为：令令物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映传播常数传播常数传播常数传播常数是描述传输线上入射波和反射波的衰减是描述传输线上入射波和反射波的衰减和相位变化的参数。和相位变化的参数。传播常数的一般公式为传播常数的一般公式为由于讨论限于射频波段，而且传输线一般不长，可以把由于讨论限于射频波段，而且传输线一般不长，可以把传输线当成无耗传输线来处理。对于无耗传输线传输线当成无耗传输线来处理。对于无耗传输线对于射频低耗传输线对于射频低耗传输线物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映上述均匀无耗传输线均匀无耗传输线方程是常系数二阶线性微分方程，它们的通解具有下列形式：（1-3）A1ejz表示向表示向+z方向传播的行波，方向传播的行波，A2ejz表示向表示向-z方向传播方向传播的行波，传输线上电压的解呈现出波动性。的行波，传输线上电压的解呈现出波动性。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映传输线的二种边界条件传输线的二种边界条件图1.4传输线的的边界条件界条件物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映1.已知传输线终端电压V2和终端电流I2这是最常用的情况。将带入（1-3）式得代回（1-3）式得上式中，上式变换成正弦函数形式得到：（1-5）（1-4）物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映2.已知传输线始端电压V1和始端电流I1始端带入（1-3）式得（1-6）物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映1、反射系数、反射系数传输线上的波一般为入射波与反射波的叠加。波传输线上的波一般为入射波与反射波的叠加。波的反射现象是传输线上最基本的物理现象，传输线的反射现象是传输线上最基本的物理现象，传输线的工作状态也主要决定于反射的情况。为了表示传的工作状态也主要决定于反射的情况。为了表示传输线的反射特性，引入反射系数输线的反射特性，引入反射系数。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映反射系数反射系数的定义及表示式的定义及表示式反射系数是指传输线上某点的反射电压与入射电反射系数是指传输线上某点的反射电压与入射电压之比。反射系数为压之比。反射系数为（1-7）物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映对于式（1-4），令式（1-4）简化为：（1-8）物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映终端反射系数为:距离终端处的传输线上的反射系数为：物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映综上所述，可以得到如下结论：综上所述，可以得到如下结论：（1）反射系数）反射系数随传输线位置变化。随传输线位置变化。（2）反射系数）反射系数为复数，这反映出反射波与入为复数，这反映出反射波与入射波之间有相位差异。射波之间有相位差异。（3）无耗传输线上任一点反射系数的模值是相同）无耗传输线上任一点反射系数的模值是相同的，说明无耗传输线上任一点反射波与入射波振幅之的，说明无耗传输线上任一点反射波与入射波振幅之比为常数。比为常数。（4）反射系数）反射系数是周期性函数，周期为是周期性函数，周期为。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映2.反射系数与终端负载的关系反射系数与终端负载的关系传输线终端负载ZL决定着终端反射系数L。由于无耗传输线上任意点的反射系数模值是相同的，所以终端负载ZL决定着无耗传输线上反射波的振幅。按照终端负载ZL的性质，传输线上将有3种不同的工作状态。（1）当ZL=Z0时，L=0，传输线上无反射波，只有入射波，称为行波状态。（2）当ZL=0（终端短路）时，L=1；当ZL=（终端开路）时，L=1；当ZL=jXL（终端接纯电抗负载）时，|L|=1。这3种状态为全反射，称为驻波状态。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映（3）当ZL=RLXL时，0|L|1，入射波能量部分被负载吸收，部分被反射，称为部分反射工作状态，为行驻波状态。3.驻波系数和行波系数驻波系数和行波系数由上面的结果可以看出，反射系数是复数，且随传输线的位置而改变。为更方便地表示传输线的反射特性，工程上引入驻波系数的概念。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映特性阻抗特性阻抗传输线上入射电压与入射电流之比（也即行波电压与传输线上入射电压与入射电流之比（也即行波电压与行波电流之比），称为传输线的特性阻抗，特性阻抗用行波电流之比），称为传输线的特性阻抗，特性阻抗用Z0表示。传输线特性阻抗的一般公式为表示。传输线特性阻抗的一般公式为对于射频传输线特性阻抗近似为对于射频传输线特性阻抗近似为可见可见,在射频情况下可以认为传输线的特性阻抗为在射频情况下可以认为传输线的特性阻抗为纯电阻。纯电阻。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映输入阻抗输入阻抗传输线上任意一点电压传输线上任意一点电压V（z）与电流）与电流I（z）之比）之比称为传输线的输入阻抗。输入阻抗为称为传输线的输入阻抗。输入阻抗为（1-9）将式（将式（1-5）代入式（）代入式（1-9）分子分母同除以）分子分母同除以得：得：（1-10）物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映例例1：求终端短路的：求终端短路的/4传输线的输入阻抗。传输线的输入阻抗。解：对于解：对于终端短路的终端短路的/4传输线，有传输线，有由式（由式（1-10）知）知即终端短路的传输线过即终端短路的传输线过/4后等效为开路。后等效为开路。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映将式（将式（1-8）代入式（）代入式（1-9）得：）得：在在终端端为：物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映驻波系数（也称为电压驻波比）定义为传输线上电压最驻波系数（也称为电压驻波比）定义为传输线上电压最大点与电压最小点的电压振幅之比，用大点与电压最小点的电压振幅之比，用或或VSWR表示，表示，即即行波系数行波系数物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映（1-11）（1-12）可以得到下面的结论可以得到下面的结论:（1）当）当|L|=0，也即行波状态时，驻波系数，也即行波状态时，驻波系数=1，行波，行波系数系数K=1。（2）当）当|L|=1，也即驻波状态时，驻波系数，也即驻波状态时，驻波系数=，行波，行波系数系数K=0。（3）当）当0|L|1，也即行驻波状态时，驻波比，也即行驻波状态时，驻波比1，行波系数行波系数0K0时，等电抗圆在时，等电抗圆在实数轴的上方；当实数轴的上方；当x1，为电压波腹点的轨迹；，为电压波腹点的轨迹；线上线上r的读数也为驻波系数的读数。的读数也为驻波系数的读数。左半实数轴线。线上左半实数轴线。线上x=0、r1，为电压波谷点的轨迹；，为电压波谷点的轨迹；线上线上r的读数也为行波系数的读数。的读数也为行波系数的读数。单位反射系数圆。线上单位反射系数圆。线上r=0，为纯电抗轨迹，反射系数，为纯电抗轨迹，反射系数的模值为的模值为1。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映（4）圆图上有）圆图上有2个特殊的面个特殊的面。实轴以上的上半平面是感性阻抗的轨迹。实轴以上的上半平面是感性阻抗的轨迹。实轴以下的下半平面是容性阻抗的轨迹。实轴以下的下半平面是容性阻抗的轨迹。（5）圆图上有）圆图上有2个旋转方向个旋转方向。传输线上的点向传输线上的点向电源方向电源方向移动时，在圆图上沿等反射系数移动时，在圆图上沿等反射系数圆圆顺时针旋转顺时针旋转。传输线上的点向传输线上的点向负载方向负载方向移动时，在圆图上沿等反射系数移动时，在圆图上沿等反射系数圆圆逆时针旋转逆时针旋转。（6）由圆图上的点可以得到）由圆图上的点可以得到4个参量个参量，其为，其为r、x、|、。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映史密斯阻抗圆图的应用史密斯阻抗圆图的应用1.负载的阻抗变换负载的阻抗变换对射频电路设计来说，经常需要确定电路的阻抗响应。对射频电路设计来说，经常需要确定电路的阻抗响应。没有对阻抗性质的详细了解，就不能恰当地预言射频系统的没有对阻抗性质的详细了解，就不能恰当地预言射频系统的性能。用史密斯阻抗圆图可以计算输入阻抗。性能。用史密斯阻抗圆图可以计算输入阻抗。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映例2.2已知传输线的特性阻抗Z0=60，负载阻抗ZL=（120-j36），传输线长l=0.3，求输入阻抗。例例2.2用图用图物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映解：用史密斯圆图求解的示意图如上图所示。（1）计算归一化负载阻抗（2）在阻抗圆图上找出r=2的等电阻圆和x=-0.6的等电抗圆，两圆的交点A即为负载阻抗在圆图上的位置，点A对应的电刻度是0.278.（3）以原点为圆心，原点与点A的连线为半径，自点A沿等反射系数圆顺时针旋转0.3至点B，点B对应的电刻度是0.078.（4）由点B读得归一化输入阻抗为：（5）传输线的输入阻抗为物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映2.反射系数和驻波系数的计算反射系数和驻波系数的计算使用圆图可以求出驻波系数和反射系数。过使用圆图可以求出驻波系数和反射系数。过zL点的点的等反射系数圆与圆图右半实数轴交点的归一化电阻读等反射系数圆与圆图右半实数轴交点的归一化电阻读数即为数即为驻波系数驻波系数。驻波系数与反射系数模值之间的关。驻波系数与反射系数模值之间的关系为系为物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映例2.3 已知传输线的特性阻抗Z0=50，终端负载阻抗为ZL=50和ZL=(30+j40)两种情况，分别求终端的反射系数、传输线上的驻波系数及回波损耗。例例2.3用图用图物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映解：用史密斯阻抗圆图求解的示意图如上图所示（1）ZL=50时，计算得到归一化负载阻抗zL=1，zL=1的点在圆图的原点位置，在圆图上可以读出:。计算得到回波损耗RL=dB（回波损耗为-10lg(反射功率)/(入射功率)）（2）ZL=(30+j40)时，计算得到归一化负载阻抗，在阻抗圆图上找出r=0.6的等电阻圆和x=0.8的等电抗圆，两圆的交点A即为负载阻抗在圆图上的位置，过点A的等反射系数圆与圆图右半实轴交点的归一化电阻读数为3，故传输线上驻波系数由 可以得到 ，计算得到回波损耗为RL=-10lg0.25=6.02dB；圆图上点A与圆心的连线与右半实轴的夹角因此得终端反射系数物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映3.传输线上行驻波电压最大点和最小点位置的计算传输线上行驻波电压最大点和最小点位置的计算用圆图可以找到传输线上行驻波电压的最大点和最小用圆图可以找到传输线上行驻波电压的最大点和最小点。在射频电路中，如果在传输线的电压最大点或电压点。在射频电路中，如果在传输线的电压最大点或电压最小点插入最小点插入/4阻抗变换器，可以达到阻抗匹配。阻抗变换器，可以达到阻抗匹配。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映例例2.4用图用图例2.4已知传输线的特性阻抗Z0=50，终端负载阻抗为ZL=(32.5-j20)，求传输线上的电压最大点和电压最小点距终端负载的长度。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映解：用史密斯圆图求解的示意图如上图所示。（1）计算归一化负载阻抗（2）在阻抗圆图上找出r=0.65的等电阻圆和x=-0.4的等电抗圆，两圆的交点A即为负载阻抗在圆图上的位置，点A对应的电刻度是0.412。（3）阻抗圆图上电压最小点在左半实数轴上，左半实数轴电刻度的读数为0.5。由点A沿等反射系数圆顺时针旋转到左半实数轴，就是电压最小点距终端负载的长度，长度为由于电压振幅有/2的重复性，电压最小点距终端负载的长度可以为物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映（4）电压最大点在右半实数轴上，距电压最小点为0.25，在圆图上由电压最小点沿等反射系数圆继续顺时针旋转0.25交于右半实数轴，得到电压最大点距终端负载的长度可以为由于电压振幅有/2的重复性，电压最大点距终端负载的长度可以为物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映例例2.5用图用图例2.5已知传输线的特性阻抗Z0=50，终端电压反射系数 。求：（1）电压波腹点及电压波谷点的输入阻抗；（2）终端负载阻抗；物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映解：用史密斯阻抗圆图求解的示意图如上图所示（1）由，计算可以得出,电压波腹点及电压波谷点的输入阻抗为纯电阻，电阻值为：电压波腹点归一化阻抗，而正实轴r读数即为，所以输入阻抗,电压波谷点在负实轴，而负实轴r读数即为，则输入阻抗为（2）表明，传输线的等反射系数圆与圆图右半实轴交点A的归一化电阻读数为1.5，由交点A沿等反射系数圆逆时针旋转50o,得到原图上的负载阻抗点B，读出点B的归一化阻抗为，故终端负载阻抗为物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映4.传输线终端短路和终端开路时的阻抗变换传输线终端短路和终端开路时的阻抗变换终端短路的传输线和终端开路的传输线可以等效为电终端短路的传输线和终端开路的传输线可以等效为电感和电容。在给定频率下，依据传输线长度和终端条件，感和电容。在给定频率下，依据传输线长度和终端条件，可以产生感性和容性两种阻抗，这种用分布电路技术实可以产生感性和容性两种阻抗，这种用分布电路技术实现集总元件参数的方法有很大的实用价值。现集总元件参数的方法有很大的实用价值。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映例2.6用一段终端短路的传输线等效集总参数元件。已知工作频率为2GHz，传输线的特性阻抗为50，求形成5pF电容和9.4nH电感的传输线电长度。例例2.6用图用图物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映解：用史密斯阻抗圆图求解的示意图如上图所示（1）2GHz时，5pF电容和9.4nH电感的电抗分别为：相应的归一化阻抗为(2)传输线的终端短路点在圆图的最左端。由圆图的最左端沿单位反射圆顺时针旋转到x=-0.32处，该处的电刻度为0.451，由电刻度可以求得传输线的电长度为0.451-0=0.451，即5pF的电容可以有长度为0.451（6.765cm，因为=15cm）的终端短路传输线代替。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映（3）由圆图的最左端沿单位反射圆顺时针旋转到x=2.36处，该处的电刻度为0.187，由电刻度可以求得传输线的电长度为0.187-0=0.187即9.4nH的电感可以有长度为0.187（2.8cm，因为=15cm）的终端短路传输线代替。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映例例2.7用图用图例2.7用一段终端开路的传输线等效集总参数元件。已知工作频率为3GHz，传输线的特性阻抗为50，相速度为光速的77%，求形成2pF电容和5.3nH电感的传输线长度。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映解：用史密斯阻抗圆图求解的示意图如上图所示（1）3GHz时，2pF电容和5.3nH电感的电抗分别为：相应的归一化阻抗为(2)工作波长为传输线的终端开路点在圆图的最右端。由圆图的最右端沿单位反射圆顺时针旋转到x=-0.53处，该处的电刻度为0.422，由电刻度可以求得传输线的电长度和长度为0.422-0.25=0.172，0.172=0.172x7.71.32cm，即2pF的电容可以由长度为0.32cm的终端开路传输线代替。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映（3）由圆图的最右端沿单位反射圆顺时针旋转到x=2处，该处的电刻度为0.176，由电刻度可以求得传输线的电长度和长度为0.176+（0.5-0.25）=0.426，0.426=0.426x7.73.28cm，即5.3nH的电感可以由长度为3.28cm的终端开路传输线代替。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映总结总结在高频时，因为开路线周围湿度、温度和介质其他参量在高频时，因为开路线周围湿度、温度和介质其他参量的改变，保持理想的开路条件是困难的，所以在实际应用中的改变，保持理想的开路条件是困难的，所以在实际应用中短路条件是更可取的。然而在很高频率或者当用短路通孔连短路条件是更可取的。然而在很高频率或者当用短路通孔连接在印制电路板上时，即使是短路线也会引起附加寄生电感接在印制电路板上时，即使是短路线也会引起附加寄生电感而出问题。此外，假如要求电路尺寸为最小，只能采用开路而出问题。此外，假如要求电路尺寸为最小，只能采用开路线来实现电容器，采用短路线来实现电感器。线来实现电容器，采用短路线来实现电感器。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映5.串联终端短路传输线串联终端短路传输线为了将负载阻抗调节到某一个预期值，可以在距负为了将负载阻抗调节到某一个预期值，可以在距负载一段距离处串联一终端短路的传输线。载一段距离处串联一终端短路的传输线。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映例2.8已知传输线的特性阻抗Z0=50，终端负载阻抗为ZL=100，在距负载0.25处串接一个长度为0.125的终端短路传输线，计算输入阻抗。例例2.8电路电路物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映解：用史密斯圆图求解的示意图如上图所示。（1）首先求长度为0.125的终端短路传输线的归一化输入阻抗zsc。在圆图上最左端（终端短路点）沿等反射系数圆顺时针旋转0.125至点A，点A的读数为zsc=j1（2）计算归一化负载阻抗zL点在圆图上的位置为点B。（3）由点B沿等反射系数圆顺时针旋转0.25得到归一化输入阻抗读数为zin（0.25）=0.5，zin（0.25）点在圆图上的位置为点C。（3）由zin（0.25）和zsc串联，可以得到所求的归一化输入阻抗为物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映（在圆图上由点C沿等电阻圆顺时针转到x=j1的点即为zin，zin在圆图上为点D。与zin对应的输入阻抗为）例例2.7用图用图物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映史密斯导纳圆图史密斯导纳圆图物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映史密斯导纳圆图有如下史密斯导纳圆图有如下2个特点。个特点。（1）电导电导g越小，等电导圆越大。当越小，等电导圆越大。当g1时，等电导圆与实数轴的交点在左半实数轴上。时，等电导圆与实数轴的交点在左半实数轴上。（2）当）当b0时，等电纳圆在实数轴以下的下半平面，是容性。时，等电纳圆在实数轴以下的下半平面，是容性。|b|越小，等电纳圆的半径越大越小，等电纳圆的半径越大物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映史密斯阻抗史密斯阻抗-导纳圆图导纳圆图在实际应用中，电路中经常会同时出现阻抗和导纳在实际应用中，电路中经常会同时出现阻抗和导纳的值，通常将史密斯阻抗圆图和史密斯导纳圆图同时使用，的值，通常将史密斯阻抗圆图和史密斯导纳圆图同时使用，构成史密斯阻抗构成史密斯阻抗-导纳圆图。导纳圆图。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用S参数参数3点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映3.1 二端口低频网络参量二端口低频网络参量 对一个一个线性网性网络特征的描述，可以采用网特征的描述，可以采用网络参量的形参量的形式式给出。描述低出。描述低频线性网性网络输入和入和输出的物理量是出的物理量是电压和和电流，低流，低频网网络的网的网络参量通参量通过电压和和电流的关系流的关系给出。出。常用的网常用的网络参量有参量有4种，分种，分别称称为阻抗参量、阻抗参量、导纳参量、参量、混合参量和混合参量和转移参量，移参量，视具体具体应用用场合，可合，可选择一种最适一种最适合合电路特性的网路特性的网络参量。参量。图图3.1 二端口网络的电压和电流二端口网络的电压和电流物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映3.2 二端口射频网络参量二端口射频网络参量 在射在射频频段，用散射参量段，用散射参量S描述网描述网络的网的网络参量。参量。S参量是在各端口匹配参量是在各端口匹配时用入射用入射电压和反射和反射电压之之间的关系得到的，射的关系得到的，射频电路利用路利用S参量就可以避开不参量就可以避开不现实的的终端条件，同端条件，同时使参数易于使参数易于测量。量。S参量可以表征射参量可以表征射频器件的特征，在器件的特征，在绝大多数涉及大多数涉及射射频系系统的技的技术资料和料和设计手册中，网手册中，网络参数都由参数都由S参量表示。参量表示。物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映1 散射参量散射参量在射频频段内，网络端口与外界连接的是各类传在射频频段内，网络端口与外界连接的是各类传输线，端口上的场量由入射波和反射波叠加而成，散射输线，端口上的场量由入射波和反射波叠加而成，散射参量采用入射行波和反射行波的归一化电压表征各网络参量采用入射行波和反射行波的归一化电压表征各网络端口的相互关系。下面讨论散射参量的特性。端口的相互关系。下面讨论散射参量的特性。1.归一化参量归一化参量图图3.2 归一化入射电压和归一化反射电压的定义归一化入射电压和归一化反射电压的定义物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映归一化参量定义归一化参量定义 如图如图3.2所示