概述

在現代無線通信系統(tǒng)中，天線阻抗匹配是確保信號高效傳輸的關鍵環(huán)節(jié)。阻抗失配不僅會導致信號反射、功率損耗，還可能影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。史密斯圓圖（Smith Chart）作為一種經典的圖形化工具，憑借其直觀、高效的特點，成為射頻工程師調試天線阻抗匹配的利器。它能夠將復雜的復數阻抗變換過程可視化，幫助工程師快速完成阻抗匹配網絡的設計與優(yōu)化。

本文將介紹如何利用史密斯圓圖分析和調整天線阻抗，涵蓋基礎理論、實際操作步驟，配合鼎陽的矢量網絡分析儀為工程師提供天線阻抗匹配測試方案。

圖片1 鼎陽SNA5008X-E矢網 & 史密斯圓圖

01史密斯原圖

史密斯圓圖的核心組成部分之一是阻抗圓（Impedance Circles），它直觀地表示歸一化阻抗（Z/Z?）部（電阻分量）和虛部（電抗分量）的變化規(guī)律。阻抗圓由一系列等電阻圓（ResistanceCircles）和等電抗圓（Reactance Circles）構成，共同描繪出阻抗在復平面上的分布。圖2中內切于史密斯圓圖右側開路點的一系列圓即是電阻圓，而由開路點發(fā)散出去的一系列弧線則是電抗圓。下文中串聯元器件來實現阻抗匹配便是依托于電阻圓。

史密斯圓圖不僅可以表示阻抗（Z），還可以通過導納（Y = 1/Z）的形式進行分析。導納（Admittance Circles）是阻抗圓的“對偶”表示，由等電導圓（Conductance Circles）和等電納圓（Susceptance Circles）構成。圖3中內切于史密斯圓圖左側短路點的一系列圓即是電導圓，而由短路點發(fā)散出去的一系列弧線則是電納圓。下文中提過并聯元器件進行阻抗匹配便是依托于電導圓實現的。

圖片2 史密斯圓圖阻抗圓

圖片3 史密斯圓圖導納圓

史密斯圓圖中，阻抗匹配的關鍵在于理解電抗（感性或容性）的變化規(guī)律，以及如何通過串聯或并聯元件調整阻抗?！吧细邢氯?，左并右串”這一口訣總結了史密斯圓圖上阻抗變化的直接規(guī)律，幫助工程師快速判斷匹配策略。

“上感下容”，上半圓（X>0）代表感性阻抗（+jX），即阻抗的虛部為正，如電感引入的感抗。下半圓（X<0）代表容性阻抗（-jX），即阻抗的虛部為負，如電容引入的容抗。根據這點，在做阻抗匹配的時候，若目標阻抗點位于上半圓，通常需要減少感抗或增加容抗（如并聯電容或串聯電容）；若位于下半圓，則需減少容抗或增加感抗（如并聯電感或串聯電感）。

“左并右串”，“左”指代左側的電導圓，“右”指代右側的電阻圓。若想要使阻抗點沿著左側的電導圓移動，通常需要并聯電容或電感。當并聯電容時，阻抗點會沿著電導圓順時針移動，而并聯電感時，阻抗點則會沿著電導圓逆時針移動。若要使阻抗點沿著右側的電阻圓移動，通常需要串聯電容或電感。當串聯電容時，阻抗點會沿著電阻圓逆時針移動，而串聯電感時，阻抗點則會沿著電阻圓順時針移動。

圖片4 左電導圓/并L/逆時針

圖片5 左電導圓/并C/順時針

圖片6 右電阻圓/串L/順時針

圖片7 右電阻圓/串C/擬時針

02阻抗匹配步驟

軟件仿真

使用鼎陽的矢網測試2.4G天線的S11，將顯示格式切換為史密斯圓圖，測得2.4G頻點處的阻抗為10+10j，將數據點添加到仿真軟件中。

圖片8 天線2.4G頻點原始阻抗

為了將阻抗點匹配到史密斯圓圖正中心的50Ω處，先串聯L使得數據點沿著電阻圓順時針移動到與50Ω等電導圓的交叉位置，之后再并聯C使得數據點沿著電導圓順時針移動到50Ω匹配點。

圖片9 天線2.4G頻點串聯L并聯C后阻抗

網分仿真

鼎陽的矢量網絡分析儀不僅具備高精度的S參數測試能力，同樣集成了阻抗匹配仿真功能，可幫助工程師快速優(yōu)化天線、濾波器、功放等射頻電路的阻抗匹配設計。該功能基于史密斯圓圖可視化分析，結合自動化計算與仿真工具，顯著提升調試效率。

點擊CAL按鍵 > 夾具仿真 > 夾具仿真設置 > 選擇相應port > Circuit Model。

選擇合適的匹配電路，設置電容電感值，最后勾選“Enable Port Matching...”，同時打開夾具仿真應用。注意，雙擊“電路模型”可以將阻抗匹配窗口最小化，便于調試。

以下圖中的設置為例，選擇“Shunt C-Series L”（并聯C-串聯L），注意阻抗匹配時是從DUT往負載端看，所以實際上是先串聯了2.15nH的電感L，再并聯了8.5Pf的電容C，其他未使用到的參數（R/G）不做設置即可。橙色跡線Tr1是未進行匹配仿真的原始跡線，藍色跡線Tr2是經過匹配仿真后的跡線，可以看到對應頻點經過匹配后已經十分接近50Ω匹配點。

圖片10 鼎陽矢網史密斯圓圖阻抗匹配仿真

小結

本文簡單介紹了史密斯圓圖在阻抗匹配中的核心原理，配合"上感下容，左并右串"等實用口訣，提升匹配網絡設計效率。同時介紹鼎陽矢量網絡分析儀的阻抗匹配仿真功能，讓工程師更加快速便捷的完成天線、放大器、濾波器等器件的阻抗匹配。

作者丨鼎陽科技 馬烈旭

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