AC

Report 4 Downloads 140 Views
Lecture 7 Lecture 7 Smith Chart Hayt CH 11 Obj i D l Objective: Develop skill in using Smith  kill i i S ih Chart for AC Tx line analysis ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

1

Smith Chart Smith Chart • The The Smith Chart is a graphical tool used to model  Smith Chart is a graphical tool used to model standing wave behaviour on transmission lines  ( (this can be extended to other standing wave  g systems such as waveguides).  • The chart represents the complex plane as a  The chart represents the complex plane as a series of interconnections between circles. The  chart is designed to directly map the ratio of  g y p voltage standing waves to current standing  waves.  ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

2

Smith Chart Smith Chart • • •

Real Axis Horiz Real Axis Horiz Imag. Axis Vert. Radius Mag. Г di

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

3

Smith Chart Smith Chart  • The The real axis values range from 0 to infinity with  real axis values range from 0 to infinity with real 1 at the center of the chart. • The imaginary axis follows the outer perimeter of  The imaginary axis follows the outer perimeter of the chart. With values ranging from 0 to infinity  with positive 1 near the middle of the upper arc with positive 1 near the middle of the upper arc  and negative 1 near the middle of the lower arc. • A short circuit (SC) lies on (0,0) while an open  A short circuit (SC) lies on (0,0) while an open circuit (OC) lies on the infinity (opposite side of  chart to the SC). ) ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

4

Smith Chart Smith Chart •

Short or Open Ct Short or Open Ct 

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

5

Smith Chart Smith Chart  • The The position on the chart will be a function of  position on the chart will be a function of the real and imaginary components of the  load. load   • The chart is a normalized function: • The load is normalized by the characteristic  Th l d i li d b h h i i impedance of the transmission line. • For a 50 ohm line the normalized load  impedance for ZL =100+j50 would be 2+j. ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

6

Smith Chart Smith Chart • The The normalized  normalized impedance for  some of the some of the  “reference”  loads are given loads are given  in this figure.

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

7

Smith Chart Smith Chart • The The normalized load will provide a point on  normalized load will provide a point on the complex plane. A circle, centered on the  point (1 0) {the middle of the chart} that point (1,0) {the middle of the chart}, that  crosses this point will have a radius  proportional to the load reflection coefficient proportional to the load reflection coefficient. 

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

8

Smith Chart Example: Smith Chart Example:  • Given Given a load of 100 a load of 100‐j200 j200 connected to a 50  connected to a 50 ohm line. Find the reflection coefficient using  a Smith Chart a Smith Chart. • The normalized impedance is 2‐j4. The real  circle RE=2 and the imaginary arc IM = 4 circle RE=2 and the imaginary arc IM =‐4  intersection will provide this location.

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

9

Smith Chart Example: Smith Chart Example: • The The real circle for r=2 is  real circle for r=2 is shown on the right. • This will given the real  This will given the real component of the  normalized impedance normalized impedance.

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

10

Smith Chart Example: Smith Chart Example: • The The intersection of  intersection of the r=2 and x=‐4  arc shown on the arc shown on the  right. • This is the location  This is the location of the normalized  load impedance on load impedance on  the complex plane. ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

11

Smith Chart Example: Smith Chart Example: • Using Using the scale on the  the scale on the bottom of the chart, the  length of the line length of the line  connecting the origin to  the normalized load the normalized load  impedance gives  ГГ=0 0.825. 825 • The angle is ‐23 degrees ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

12

Smith Chart Example: Smith Chart Example:  • Computing Computing the reflection coefficient directly  the reflection coefficient directly gives: Г=0.82 with an angle of 23 degrees. • The chart will provide good accuracy within 2  The chart will provide good accuracy within 2 decimal places (graphical techniques trade off  accuracy for speed). • The chart can also be used to compute input  impedances as phase change is rotation along  complex plane with same reflection coefficient  magnitude. ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

13

Smith Chart Smith Chart • The The value of a standing wave is a function of  value of a standing wave is a function of the relative phase between the forward and  backward travelling waves. • For a loss‐less system, the amplitude of the  backward travelling wave is constant and  proportional to the load reflection coefficient. • This suggests that the value of the impedance  at any point along a transmission line would  lie on a circle on a smith chart. ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

14

Smith Chart Example: Smith Chart Example: • A A transmission line with a 100 ohm  transmission line with a 100 ohm characteristic impedance is terminated by a  100‐j100 100 j100 load. load • The 30.0 cm long line is powered by a 600  MHz 10 volt (RMS) source The velocity of MHz 10 volt (RMS) source. The velocity of  propagation along the line is 200 meters per  microsecond Use a Smith Chart to compute microsecond. Use a Smith Chart to compute  the impedance seen by the source. ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

15

Smith Chart Example: Smith Chart Example: • The The normalized load impedance is 1  normalized load impedance is 1 – j. The  j The 0.3 0.3 0.90  line is                                wavelengths long. 2 6

• The load impedance is the start of the circular  path (for input impedance we travel towards  h (f i i d l d the source). We travel along the circle a  di distance of 0.9 wavelengths (i.e. 0.5 + 0.4  f09 l h (i 0 5 0 4 wavelengths). ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

16

Smith Chart Example: Smith Chart Example: • The The starting point of 1  starting point of 1 –jj corresponds to a  corresponds to a position of 0.338 wavelengths on the outer  rim of the chart. • Moving a distance of 0.9 wavelengths  corresponds to 1.238 wavelengths (since  every half wavelength is a full circle, the end  position is 0.238 wavelengths). • This corresponds to the point 2.57 + j 0.42 or a  load impedance of 257+j42. ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

17

Smith Chart Example: Smith Chart Example: • Input  Impedance  Impedance intersection of  impedance  impedance circle and  position on position on  circle  perimeter. perimeter ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

18

Smith Chart Example: Smith Chart Example: • From From the TRLINE program the input  the TRLINE program the input impedance is 253.5+j42.25 (close to the  graphical evaluation) graphical evaluation). • The load is (0.25‐0.238)λ=0.012λ from the  nearest maximum (of the VSWR) and 0 262λ nearest maximum (of the VSWR) and 0.262λ from the nearest minimum (of the VSWR).  • You can locate the min. and max. of the VSWR  Y l h i d f h VSWR relative to the load using a chart. ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

19

Smith Chart Example: Smith Chart Example: •

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

20

Smith Chart Smith Chart • The The lowest scale on left for reflection  lowest scale on left for reflection coefficient. Uppermost left VSWR. 

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

21

Smith Chart Smith Chart • The The right hand real axis intercepts are the  right hand real axis intercepts are the VSWR values 

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

22

Smith Chart Smith Chart • The The Smith Chart can be used for both design  Smith Chart can be used for both design and analysis.  • Impedance matching requires a small (ideally  Impedance matching requires a small (ideally zero) reflection coefficient . This means the  curve on the chart will be around the center curve on the chart will be around the center. • The next example will illustrate this behaviour. • Given a band pass microwave filter stop‐band  centered on 2 GHz. ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

23

Smith Chart Example: Smith Chart Example: •

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

24

Smith Chart Example: Smith Chart Example: •

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

25

Smith Chart Example: Smith Chart Example:  • The The portion of the curve close to the center of  portion of the curve close to the center of the chart have small reflection coefficients  (closer to the center the smaller the (closer to the center, the smaller the  coefficient). • Drawing a circle around a portion of the  Drawing a circle around a portion of the center will define a stop band. • The transmission loss is a parameter related to  Th i i l i l d the transmission coefficient. Т=Г+1 ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

26

Smith Chart Smith Chart  • Return Return loss: loss: 20 |1 Γ| • Transmission loss:  • The transmission loss and return loss  h i i l d l parameters are in common use. • The return loss is used for impedance  matching (small reflection). • The transmission loss is used for filter design  ( g (large transmission). ) ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

27

Next Lecture Next Lecture • In the next lecture we will discuss Stub tuning In the next lecture we will discuss Stub tuning

ECSE 352 AC Tx Line Notes (c) D. Davis 2011

28