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1、,物联网射频识别（RFID）技术与应用,射频基础知识,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.1 射频的概念1、什么是射频 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。该频率在各种无源和有源电路中R、L、C各参数反映出是分布参数。信号采用的传输方式和信
2、号的传输特性主要是由工作频率决定的。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2、什么是射频电路 在电路设计中，当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时，电路可以称为射频电路。一般认为，当频率高于30MHz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MHz至4GHz（现已大于4GHz），在这个频率范围内，电路需要考虑分布参数的影响，低频的基尔霍夫电路理论不再适用。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,50Hz的市电可以采用低频电路理论50Hz的市电属于ELF（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
3、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。2.4GHz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2.4GHz，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。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3、长线和短线的概念 图（a）表示的是半波长的波形图，AB是线上的一小段，它比波长小得多。由图可见，线段AB上各点的电流或电压的幅度和相位几乎不变，此时的线段AB是一段“短线”。如果频率很高，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幅度和相位均有很大变
4、化，如图（b）所示，此时的线段AB即应视为“长线”.我们把传输线的几何长度（L)与其上传输电信号的波长（）之比L/，称为传输线的相对长度或者叫电长度。,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（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,图1.1 终端短路的传输线,物联网射频识别（RFID）技术与应用,图1.1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l处的阻抗为（1-1）式中Z0为常数，Z0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，因为低频电路理论会认为Zin=0。下面对式（1-1）加以数值分析。,点击此处结
5、束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,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，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1.2所示,图1.2 集肤效应,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,可以用趋肤深度描述集肤效应的程度。趋肤深度定义为式中为导体的磁导率，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。在射频电路中，集肤效应引起电路损耗急剧增加，必须考虑分布电阻对射频电路的影响。射频电路主要应用在无线通信领域。,物联网
6、射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,低频和射频的关系低频电路理论只适用于低频电路设计，射频电路理论有更大的适用范围，低频电路理论是射频电路理论的特例。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最大特色。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,射频电路的分布参数 从正弦交流（AC）电路分析中可以知道，电感L（1nH）和电容C(1pF)的电抗XL和XC与频率有关。(1)当(2)当结论：低频时1nH电感相当于短路，1pF电容相当于开路；3GHz时它们的影响必须考虑。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,
7、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着电感和电容，所以射频电路也称为分布参数电路。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路完全不同，射频传输线上信号出现了波动性，并导致反射产生，因此需要建立射频电路理论体系。,图1.3 一段传输线,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,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，以及它们之间相互关系的方程。对于均匀传输线，由于分布参数是沿线均匀分布的，所以只考虑线元dz的
8、情况。,图 1.4 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（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,线元dz可以看成集总参数电路，则线元dz上的电压和电流有如下关系：对右上节点列KCL：,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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dz后得：（1-2）式（1-2）称为均匀传输线方程，又称为电报方程。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,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路的稳态分析：式（1-2）可以写成：,物联网射频识别（RFID）技术与
9、应用,点击此处结束放映,其中：由于，仅为距离z的函数，所以对u,i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。上式再对z取一次导数得：,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,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：令,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,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和相位变化的参数。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,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,上述均匀无
10、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+z方向传播的行波，A2ejz表示向-z方向传播的行波，传输线上电压的解呈现出波动性。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,传输线的二种边界条件,图 1.4 传输线的边界条件,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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（RFID）技术与应用,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
11、始端 带入（1-3）式得（1-6）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,1、反射系数 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。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,反射系数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压之比。反射系数为（1-7）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,终端反射系数为:
12、距离终端 处的传输线上的反射系数为：,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,综上所述，可以得到如下结论：（1）反射系数 随传输线位置变化。（2）反射系数 为复数，这反映出反射波与入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。（4）反射系数 是周期性函数，周期为。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,2.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，
13、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（RFID）技术与应用,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（RFID
14、）技术与应用,点击此处结束放映,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,对于射频传输线特性阻抗近似为可见,在射频情况下可以认为传输线的特性阻抗为纯电阻。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,输入阻抗 传输线上任意一点电压V（z）与电流I（z）之比称为传输线的输入阻抗。输入阻抗为（1-9）将式（1-5）代入式（1-9）分子分母同除以 得：,（1-10）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,例1：求终端短路的/4传输线的输入阻抗。解：对于终端短路的/4传输线
15、，有由式（1-10）知即终端短路的传输线过/4后等效为开路。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,将式（1-8）代入式（1-9）得：,在终端为：,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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大点与电压最小点的电压振幅之比，用或VSWR表示，即行波系数,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,（1-11）（1-12）可以得到下面的结论:（1）当|L|=0，也即行波状态时，驻波系数=1，行波系数K=1。（2）当|L|=1，也即驻波状态时，驻波系数=，行波系数K=0。（3）当0|L|1，也即行驻波状态时，
16、驻波比1，行波系数0K1。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,在不同反射系数下传输线的电压驻波分布,=-1,全反射,终端短路,=+1,全反射,终端开路,=0,无反射,终端匹配,0|1,局部反射,终端不完全匹配,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,4.电压和电流的最大值和最小值电压的振幅为最大值、电流的振幅为最小值，分别为（1-13）电压的振幅为最小值、电流的振幅为最大值，分别为（1-14）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,由式（1-13）和式（1-14）还可以得出（1-15）综上所述，得到如下结论：（1）传输线上电压最大值所在点
17、，电流为最小值。（2）传输线上电压最小值所在点，电流为最大值。（3）传输线上电压最大值与电流最大值之比等于特性阻抗。（4）传输线上电压最小值与电流最小值之比等于特性阻抗。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,衰减常数 衰减常数表示单位长度行波振幅的变化，这种变化惯以用相对电平和绝对电平两种方式来表示。相对电平常用分贝（dB）和奈培（Np）这两个单位表示，绝对电平常用分贝毫瓦（dBm）和分贝瓦（dBW）这两个。（1）传输线上两点之间相对电平的表示 dB若传输线有衰减，可以将传输线上两点功率电平P1和P2的比值用dB表示。（dB）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处
18、结束放映,Np传输线中的衰减也常用Np表示。（NP）dB与Np的关系为 1Np=8.686dB 1dB=0.115Np,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,传输电路中某点绝对电平的表示 dBmdBm的定义是功率电平对1mW的比，即功率（dBm）=0dBm=1毫瓦,dBWdBW的定义是功率电平对1W的比，即 功率（dBW）=,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,移动通信系统使用频段,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,在传输线问题的计算中，经常涉及输入阻抗、负载阻抗、反射系数和驻波系数等量，以及这些
19、量之间的相互关系，这些量利用前面给出的公式进行计算，并不困难，但比较繁琐。为简化计算，P.H.Smith开发了图解方法，可以在一个图中简单、直观地显示传输线上各点阻抗与反射系数的关系，该图解称为史密斯圆图。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.1 复平面上反射系数的表示方法 反射系数可以用以了解传输线上的工作状态。反射系数也描述了负载阻抗与特性阻抗的失配度。史密斯圆图是在反射系数的复平面上建立起来的，为此，首先介绍复平面上反射系数的表示方法。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,无耗传输线上距离终端为z处的反射系数为上式表明，反射系数是复数，可以在复
20、平面上表示（z），不同的反射系数（z）对应复平面上不同的点。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,例2.1 在反射系数的复平面上给出下列点的位置。（1）传输线的特性阻抗Z0=50，终端短路。距终端分别为z=0和z=/8的点。当z=0，当z=/8，,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（2）传输线的特性阻抗Z0=50，终端开路。距终端分别为z=0和z=/8的点。当z=0，当z=/8，,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（3）传输线的特性阻抗Z0=50，终端负载阻抗为ZL=50。距终端分别为z=0和z=/8的点。当z=0，当z=/8，这
21、是负载匹配的情况，负载匹配时传输线上所有点的输入阻抗Zin（z）都等于特性阻抗Z0。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（4）传输线的特性阻抗Z0=50，终端负载阻抗为ZL=（16.67-j16.67）。距终端分别为z=0和z=/8的点。当z=0，当z=/8，,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（5）传输线的特性阻抗Z0=50，终端负载阻抗为ZL=（50+j50）。距终端分别为z=0和z=/8的点。当z=0，当z=/8，由（4）、（5）知当负载ZLZ0时，输入阻抗Zin（z）随传输线的位置z而变，输入阻抗Zin（z）与负载阻抗ZL不相等。,点击此处结
22、束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.等反射系数圆 在（z）=r+ji的复平面上，同一条传输线上各点的反射系数在同一个圆上，这个圆称为等反射系数圆。等反射系数圆的轨迹是以坐标原点为圆心、|L|为半径的圆。因为0|L|1，所以所有传输线的等反射系数圆都位于半径为1的圆内，这个半径为1的圆称为单位反射圆。又因为反射系数的模值与驻波系数一一对应，所以等反射系数圆族又称为等驻波系数圆族。等反射系数圆族有下面3个特点。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（1）当等反射系数圆的半径为0，即在坐标原点处时，反射系数的模值|L|=0，驻波系数=1。所以，反射系数复平面上的坐标
23、原点为匹配点。（2）当等反射系数圆的半径为1时，为单位反射圆，单位反射圆上反射系数的模值|L|=1，驻波系数=。所以，反射系数复平面上的单位反射圆对应着终端开路、终端短路和终端接纯电抗负载时传输线上各点的反射系数。（3）所有等反射系数圆均在单位反射圆内，圆的半径随负载阻抗与特性阻抗失配度的不同而不同，同一条传输线上各点的反射系数在同一个圆上。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,图2.1 等反射系数圆,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.电刻度圆 可以在单位反射圆的外面画两个同心圆分别标明反射系数相角的变化，其中一个圆用来标明传输线电长度一周变化/2
24、；另一个圆用来标明反射系数相角一周变化360。电刻度圆和相角变化的情况如图2.2所示。,点击此处结束放映,图2.2反射系数的相角和电刻度圆,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.史密斯阻抗圆图 将等电阻圆和等电抗圆画在反射系数的复平面上，就构成了史密斯阻抗圆图。史密斯阻抗圆图用来显示传输线上各点输入阻抗与反射系数的关系。传输线上任意一点的反射系数都与该点的归一化输入阻抗有关，将归一化输入阻抗用归一化电阻和归一化电抗表示。在反射系数的复平面上，归一化电阻为常数的曲线称为等电阻曲线；归一化电抗为常数的曲线称为等电抗曲线。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,归一化输入阻抗简
25、称为归一化阻抗，定义为：将 代入上式得,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,设r为归一化电阻，x为归一化电抗，则：为等电阻圆方程，圆心坐标为，半径为等电阻圆族在复平面的点（1，0）处相切。为等电抗圆方程，圆心坐标为，半径为等电抗圆族在复平面的点（1，0）处与实轴相切。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,（a）等电阻圆（b）等电抗圆图2.3 等电阻圆和等电抗圆,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,由（a）图等电阻圆可以看出，归一化电阻r相等得点在同一个圆上，r越大，等电阻圆越小。当r=0时，等电阻圆与单位反射圆重合；
26、当r=时，等电阻圆半径为0，成为一个点。由（b）图等电抗圆可以看出，归一化电抗x相等得点在同一个圆上，x越大，等电抗圆越小。当x0时，等电抗圆在实数轴的上方；当x0时，等电抗圆在实数轴的下方；当x=0时，等电抗圆与实数轴重合；当x=时，等电抗圆半径为0，成为一个点。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.史密斯阻抗圆图将等反射系数圆、反射系数相角和电刻度圆、等电阻圆和等电抗圆都绘在一起，就构成了史密斯阻抗圆图。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,史密斯阻抗圆图,物联网射频识别（RFID）技术与应用,史密斯阻抗圆图由上面圆图坐标（r，ji）的构成可以知
27、道，史密斯阻抗圆图有如下特点。（1）圆图旋转1周为/2，而非。（2）圆图上有3个特殊的点。匹配点。坐标为（0，0），此处对应于r=1、x=0、|=0、=1。短路点。坐标为（1，0），此处对应于r=0、x=0、|=1、=、=180。开路点。坐标为（1，0），此处对应于r=、x=、|=1、=、=0。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,（3）圆图上有3条特殊的线。,右半实数轴线。线上x=0、r1，为电压波腹点的轨迹；线上r的读数也为驻波系数的读数。左半实数轴线。线上x=0、r1，为电压波谷点的轨迹；线上r的读数也为行波系数的读数。单位反射系数圆。线上r=0，为
28、纯电抗轨迹，反射系数的模值为1。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,（4）圆图上有2个特殊的面。实轴以上的上半平面是感性阻抗的轨迹。实轴以下的下半平面是容性阻抗的轨迹。（5）圆图上有2个旋转方向。传输线上的点向电源方向移动时，在圆图上沿等反射系数圆顺时针旋转。传输线上的点向负载方向移动时，在圆图上沿等反射系数圆逆时针旋转。（6）由圆图上的点可以得到4个参量，其为r、x、|、。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,史密斯阻抗圆图的应用,1.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。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
29、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（RFID）技术与应用,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2.2用图,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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）
30、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（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,2.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zL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数即为驻波系数。驻波系数与反射系数模值之间的关系为,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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2.3用图,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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
31、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-10 lg(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（RFID）技术与应用,点击此处结束
32、放映,3.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/4阻抗变换器，可以达到阻抗匹配。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,例2.4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（RFID）技术与应用,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
33、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（RFID）技术与应用,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（RFID）技术与应用
34、,点击此处结束放映,例2.5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（RFID）技术与应用,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
35、化阻抗为，故终端负载阻抗为,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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 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，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。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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2.6用图,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,解：用史密斯阻抗
36、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（RFID）技术与应用,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
37、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（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,例2.7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（RFID）技术与应用,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
38、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（RFID）技术与应用,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（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,总结,在高频时，因为
39、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。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,5.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，可以在距负载一段距离处串联一终端短路的传输线。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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
40、度为0.125的终端短路传输线，计算输入阻抗。,例2.8电路,物联网射频识别（RFID）技术与应用,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（R
41、FID）技术与应用,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2.7用图,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,史密斯导纳圆图,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,史密斯导纳圆图有如下2个特点。（1）电导g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。（2）当b0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,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,史密斯阻抗-导纳圆图,在实际应用中，电路中经常会同时出现
42、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，构成史密斯阻抗-导纳圆图。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,3.1 二端口低频网络参量,对一个线性网络特征的描述，可以采用网络参量的形式给出。描述低频线性网络输入和输出的物理量是电压和电流，低频网络的网络参量通过电压和电流的关系给出。常用的网络参量有4种，分别称为阻抗参量、导纳参量、混合参量和转移参量，视具体应用场合，可选择一种最适合电路特性的网络参量。,图3.1 二端口网络的电压和电流,物联网射频
43、识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,3.2 二端口射频网络参量,在射频频段，用散射参量S描述网络的网络参量。S参量是在各端口匹配时用入射电压和反射电压之间的关系得到的，射频电路利用S参量就可以避开不现实的终端条件，同时使参数易于测量。S参量可以表征射频器件的特征，在绝大多数涉及射频系统的技术资料和设计手册中，网络参数都由S参量表示。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,1 散射参量在射频频段内，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。1.归一
44、化参量,图3.2 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（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,归一化参量定义 如图3.2所示，对于二端口网络，端口1的归一化入射电压和归一化反射电压定义为端口2的归一化入射电压和归一化反射电压定义为其中Z01和Z02分别为输入、输出端口传输线的特性阻抗。,（3-1）,（3-2）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,端口1的总电压和总电流与归一化入射电压和归一化反射电压的关系为端口2的总电压和总电流与归一化入射电压和归一化反射电压的关系为,（3-4）,（3-3）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,2.散射
45、参量的定义 二端口网络中归一化入射电压和归一化反射电压的关系用方程表示为写成矩阵形式，为上式可以简写成式中，S称为散射矩阵或散射参量。上述散射参量用于射频频段有许多优点，简述如下。,（3-7）,（3-6）,（3-5）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,（3-8）表示端口2接匹配负载时，端口1的电压反射系数。（3-9）表示端口1接匹配负载时，端口2至端口1的反向电压传输系数。（3-10）表示端口2接匹配负载时，端口1至端口2的正向电压传输系数。（3-11）表示端口1接匹配负载时，端口2的电压反射系数。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,（1）散射参量用
46、来表示网络的反射系数和传输特性非常方便，而且它给出了一个网络端口之外的完整特性描述。（2）散射参量没有使用开路或短路描述方式。在射频电路中如果出现短路或开路的情况，将引起强烈的反射，会导致振荡的产生，并引起晶体管元件的损坏。（3）散射参量要求各端口使用匹配负载，因匹配负载可以吸收全部的入射功率，从而消除了过强的能量反射，降低了对源和设备损伤的可能性。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,例3.1 已知二端口网络的散射矩阵S及负载反射系数，如下图所示，求其输入端的反射系数和归一化输入阻抗。,图3.3,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,解：二端口网络的散射
47、矩阵方程为：考虑到，并代入上式，有解此方程组，得到故得输入端反射系数为输入端归一化输入阻抗为,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,3.S12和S21的物理意义首先讨论散射参量S21的物理意义。S21是在端口2匹配的情况下确定的，此时a2=0，由式（3-3）得到。,图3.4 S21的物理意义,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,上式中由于所以说明端口2的电压与信号源的电压有直接关系，S21表示网络的正向电压增益，同理，S12表示网络的反向电压增益,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.1 LC滤波
48、器的ADS设计与仿真 1.滤波器的基本原理 射频滤波器在无线通信系统中至关重要，起到选择频带和信道的作用，并且能滤除谐波，抑制杂散。在射频电路设计时，经常会用滤波器从各种电信号中提取出想要的频谱信号。滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频率过滤功能。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（1）通过原理图设计 1.新建一个工程名为Step_Filter的工程，同时在ADS（main）主窗口中设置长度单位为millimeter。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.建立低
49、通滤波器设计 单击 建立原理图，命名为lpf，选择元器件建立如图4.1的原理图；设置S_PARAMETERS，“Step-size”选项改为500MHz，其他默认，如图4.2,点击此处结束放映,图4.1,图4.2,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3仿真点击 进行仿真，仿真成功后添加S（2，1），选择dB为单位，如下图所示,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,最后结果如图3,点击此处结束放映,图3,物联网射频识别（RFID）技术与应用,在lpf原理图中，点击，弹出“Tune Parameters”对话框，如图4,点击此处结束放映,图4,物联网射频识别（RFID）技术与应
50、用,然后单击lpf原理图中的C1原件，勾选“C1”选项，如图5，同样的方法添加C2，L1，就会和上面图4一样了。,点击此处结束放映,图5,物联网射频识别（RFID）技术与应用,接着设置调谐值范围，在“Tune Parameters”对话框中可以改变调谐器件的参数范围。其中，改变Min、Max中的值可以调整调谐范围；改变Step中的值可以调整调谐的步进。拖动“Tune Parameters”对话框中的滑块，调节参数，观察S21参数的变化，如图6。调谐得到满意结果后，单击【Updata Schematic】按钮把调谐好的值更新到原理图。单机【Close】结束调谐,点击此处结束放映,图6,物联网射频
