Smith Kaart Oefening 4

Opgave

Gebruik je Smith kaart om een antenne van 150 Ohm aan te passen aan een coax van 50 Ohm voor een frequentie van 600 MHz (\(\lambda\)= 25 cm; \(\epsilon_r\)=4)? Welke verschillende oplossingen zijn er mogelijk?

Oplossing

Er zijn hiervoor 8 oplossingen mogelijk.

We bespreken hieronder elk van deze 8 oplossing:

Oplossing 1: Bijplaatsen van een capaciteit in serie

We plaatsen \(z= \frac{Z_L}{Z_0}=3\) op de Smith kaart (rode dotje) en we zoeken waar we de r=1 cirkel snijden in het bovenste deel van de Smith kaart (groene dotje).

Fig. 174 Smith kaart van de eerste oplossing.

Als we van de aanpassing (groene dot) naar de belasting gaan (rode dot), draaien we in tegenwijzerzin over een afstand van \(300^o\). Dit geeft een afstand van \(\frac{300}{360}\frac{\lambda}{2}\)=0.416 \(\lambda\) = 10.41cm. (\(\lambda\)= 25 cm is gegeven)

De nieuwe z = 1 + j 1.15. Daaruit volgt dat Z = 50 Ohm + j 57.5 Ohm (zie Table 1). Het complexe deel van deze impedantie kunnen we compenseren door een condensator met impedantie van ongeveer - j 57.5 Ohm toe te voegen. Als we het helemaal juist willen hebben kunnen we in de array van de lijnimpedantie (zie Table 1) juist gaan kijken waar het reele deel 50 Ohm wordt en wat we dan als complex deel over houden.

\[ \frac{1}{j \omega C}= - j 57.5 \Omega\]

Als we vervolgens \(\omega\) invullen, wetende dat de freqentie f=600 MHz:

\[ \omega= 2 \pi \cdot 600\times 10^6 \]

\[ C= 4.59 pF \]

hoek    impedantie (Ohm)     lengte coax (cm)
 297  Z= 47.11+55.97j Ohm     lengte=10.31 cm
 298  Z= 48.04+56.56j Ohm     lengte=10.35 cm
 299  Z= 49.01+57.15j Ohm     lengte=10.38 cm
 300  Z= 50.00+57.74j Ohm     lengte=10.42 cm
 301  Z= 51.02+58.31j Ohm     lengte=10.45 cm
 302  Z= 52.08+58.89j Ohm     lengte=10.49 cm

Overzicht van de bekomen impedantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

De optimale condensatorwaarde in serie wordt dus 4.59 pF en de nodige lengte van de coax tussen de antenne en de aanpassing is 10.4 cm

Het schema dat we nodig hebben om deze eerst oplossing te realiseren wordt dus:

Fig. 175 circuit van de eerste oplossing.

Oplossing 2: Bijplaatsen van een inductantie in serie

We plaatsen \(\frac{Z_L}{Z_0}=3\) op de Smith kaart en we zoeken waar we de r=1 cirkel snijden in het onderste deel van de kaart.

Fig. 176 Smith kaart van de tweede oplossing.

We zoomen vervolgens in op het deel van de cirkel die de eenheidscirkel snijdt.

hoek    impedantie (Ohm)     lengte coax (cm)
  57  Z= 53.16-59.45j Ohm     lengte=1.98 cm
  58  Z= 52.08-58.89j Ohm     lengte=2.01 cm
  59  Z= 51.02-58.31j Ohm     lengte=2.05 cm
  60  Z= 50.00-57.74j Ohm     lengte=2.08 cm
  61  Z= 49.01-57.15j Ohm     lengte=2.12 cm

Overzicht van de bekomen impedantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

De nieuwe z = 1 - j 1.15. Daaruit volgt dat Z = 50 Ohm - j 57.7 Ohm. Het complexe deel van deze impedantie kunnen we compenseren door een spoel met impedantie van ongeveer j 57.7 Ohm toe te voegen. Als we het helemaal juist willen hebben kunnen we in de array van zlijn juist gaan kijken waar het reele deel 50 Ohm wordt en wat we dan als complex deel over houden.

\[ j \omega L= j 57.7 \Omega\]

\[ \omega= 2 \pi \cdot 600 \times 10^6 \]

\[ L=15 nH \]

Het schema dat we nodig hebben om deze tweede oplossing te realiseren wordt dus:

Fig. 177 circuit van de tweede oplossing.

De optimale inductantiewaarde in serie wordt dus 15 nH en de nodige lengte van de coax tussen de antenne en de aanpassing is 2.1 cm

Oplossing 3: Bijplaatsen van een capaciteit in parallel

We plaatsen \(\frac{Z_L}{Z_0}=3\) op de Smith kaart en we zoeken waar we de y=1 cirkel snijden in het bovenste deel van de kaart.

Fig. 178 Smith kaart van de derde oplossing.

Omdat een Smith kaart in admitantie het spiegelbeeld is van een Smith kaart in impedentie, kunnen we ook de kaart spiegelen. We moeten dan wel aan de andere kant van de kaart vertrekken. Dit is weergegeven in figuur 6.

Fig. 179 Smith kaart van de derde oplossing als admitantie.

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
 237    Y= 21.27-23.78j mS     lengte=8.23 cm
 238    Y= 20.83-23.55j mS     lengte=8.26 cm
 239    Y= 20.41-23.33j mS     lengte=8.30 cm
 240    Y= 20.00-23.09j mS     lengte=8.33 cm
 241    Y= 19.60-22.86j mS     lengte=8.37 cm
 242    Y= 19.22-22.62j mS     lengte=8.40 cm

Overzicht van de bekomen admitantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

De optimale condensatorwaarde in parallel wordt dus 6.12 pF en de nodige lengte van de coax tussen de antenne en de aanpassing is 8.3 cm <\p>

\[ j \omega C= 0.023 j \]

\[ C =\frac{0.023}{2 \pi \cdot 600 \times 10^6}= 6.12 pF \]

Het schema dat we nodig hebben om deze derde oplossing te realiseren wordt dus:

Fig. 180 circuit van de derde oplossing.

Oplossing 4: Bijplaatsen van een spoel in parallel

We plaatsen \(\frac{Z_0}{Z_L}=\frac{1}{3}\) op de Smith kaart en we zoeken waar we de y=1 cirkel snijden in het bovenste deel van de kaart.

Fig. 181 Smith kaart van de vierde oplossing.

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
 118    Y= 19.22+22.62j mS     lengte=4.10 cm
 119    Y= 19.60+22.86j mS     lengte=4.13 cm
 120    Y= 20.00+23.09j mS     lengte=4.17 cm
 121    Y= 20.41+23.33j mS     lengte=4.20 cm

Overzicht van de bekomen admitantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

\[ \frac{1}{j \omega L}= - 0.023 j \]

\[ L =\frac{1}{0.023\cdot 2 \pi \cdot 600 \times 10^6}= 11.5 nH \]

De optimale inductantiewaarde in parallel wordt dus 11.5 nH de nodige lengte van de coax tussen de antenne en de aanpassing is 4.1 cm

Het schema dat we nodig hebben om deze vierde oplossing te realiseren wordt dus:

Fig. 182 circuit van de vierde oplossing.

Oplossing 5: Oplossing 3 waarbij de condensator vervangen is door een open transmissielijn

De y = 1 - j 1.15 compenseren we door +j 1.15 vertrekkende vanuit g=0.

Fig. 183 Smith kaart van de vijfde oplossing.

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
 238    Y= 20.83-23.55j mS     lengte=8.26 cm
 239    Y= 20.41-23.33j mS     lengte=8.30 cm
 240    Y= 20.00-23.09j mS     lengte=8.33 cm
 241    Y= 19.60-22.86j mS     lengte=8.37 cm

Overzicht van de bekomen admitantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
  95       Y= +21.83j mS     lengte=3.30 cm
  96       Y= +22.21j mS     lengte=3.33 cm
  97       Y= +22.61j mS     lengte=3.37 cm
  98       Y= +23.01j mS     lengte=3.40 cm
  99       Y= +23.42j mS     lengte=3.44 cm
 100       Y= +23.84j mS     lengte=3.47 cm

Overzicht van de bekomen admitantie van de open transmissielijn als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

Hieruit blijkt dat een open transmissielijn met de lengte van \(\frac{98}{360} \frac{\lambda}{2}\) de beste aanpassing geeft.

Het stukje open coax dat we moeten voorzien ter vervanging van de condensator is dus: 3.4 cm

Het schema dat we nodig hebben om deze vijfde oplossing te realiseren wordt dus:

Fig. 184 circuit van de vijfde oplossing.

Oplossing 6: Oplossing 3 waarbij de condensator vervangen is door een kortgesloten transmissielijn

De y = 1 - j 1.15 compenseren we door +j 1.15 vertrekkende vanuit g=\(\infty\)

Fig. 185 Smith kaart van de zesde oplossing.

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
 238    Y= 20.83-23.55j mS     lengte=8.26 cm
 239    Y= 20.41-23.33j mS     lengte=8.30 cm
 240    Y= 20.00-23.09j mS     lengte=8.33 cm
 241    Y= 19.60-22.86j mS     lengte=8.37 cm

Overzicht van de bekomen admitantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
 275       Y= +21.83j mS     lengte=9.55 cm
 276       Y= +22.21j mS     lengte=9.58 cm
 277       Y= +22.61j mS     lengte=9.62 cm
 278       Y= +23.01j mS     lengte=9.65 cm
 279       Y= +23.42j mS     lengte=9.69 cm
 280       Y= +23.84j mS     lengte=9.72 cm

Overzicht van de bekomen admitantie van de kortgesloten transmissielijn als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

Het stukje kortgesloten coax dat we moeten voorzien ter vervanging van de condensator is dus: 9.7 cm

Het schema dat we nodig hebben om deze zesde oplossing te realiseren wordt dus:

Fig. 186 circuit van de zesde oplossing.

Oplossing 7: Oplossing 4 waarbij het spoel vervangen is door een open transmissielijn

De y = 1 + j 1.15 compenseren we door -j 1.15 vertrekkende vanuit g=0.

Fig. 187 Smith kaart van de zevende oplossing.

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
 118    Y= 19.22+22.62j mS     lengte=4.10 cm
 119    Y= 19.60+22.86j mS     lengte=4.13 cm
 120    Y= 20.00+23.09j mS     lengte=4.17 cm
 121    Y= 20.41+23.33j mS     lengte=4.20 cm

Overzicht van de bekomen admitantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
 260       Y= -23.84j mS     lengte=9.03 cm
 261       Y= -23.42j mS     lengte=9.06 cm
 262       Y= -23.01j mS     lengte=9.10 cm
 263       Y= -22.61j mS     lengte=9.13 cm
 264       Y= -22.21j mS     lengte=9.17 cm

Overzicht van de bekomen admitantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

Het schema dat we nodig hebben om deze zevende oplossing te realiseren wordt dus:

Het stukje open coax dat we moeten voorzien ter vervanging van het spoel is dus: 9.1 cm

Fig. 188 circuit van de zevende oplossing.

Oplossing 8: Oplossing 4 waarbij het spoel vervangen is door een kortgesloten transmissielijn

De y = 1 + j 1.15 compenseren we door -j 1.15 vertrekkende vanuit g=\(\infty\).

Fig. 189 Smith kaart van de achtste oplossing.

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
 118    Y= 19.22+22.62j mS     lengte=4.10 cm
 119    Y= 19.60+22.86j mS     lengte=4.13 cm
 120    Y= 20.00+23.09j mS     lengte=4.17 cm
 121    Y= 20.41+23.33j mS     lengte=4.20 cm

Overzicht van de bekomen admitantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

hoek    admitantie (Siemens)     lengte coax (cm)
  80       Y= -23.84j mS     lengte=2.78 cm
  81       Y= -23.42j mS     lengte=2.81 cm
  82       Y= -23.01j mS     lengte=2.85 cm
  83       Y= -22.61j mS     lengte=2.88 cm
  84       Y= -22.21j mS     lengte=2.92 cm

Overzicht van de bekomen admitantie als funktie van de hoek op de Smith kaart. De laatste kolom geeft de nodige lengte van de coax

Het stukje kortgesloten coax dat we moeten voorzien ter vervanging van het spoel is dus: 2.8 cm

Het schema dat we nodig hebben om deze achtste oplossing te realiseren wordt dus:

Fig. 190 circuit van de achtste oplossing.