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3. Smith Chart and Impedance Matching

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(1)

3. Smith Chart and Impedance Matching

A. Construction and Applications of the Smith Chart

Smith Chart :

A graphical chart of normalized impedance (or admittance) in the ๎‚‡ plane for analyzing and designing both lossless and lossy transmission- line circuits (P.H. Smith, 1939)

1) Parametric equations for the chart construction For a lossless transmission line,

๎‚‡ ๎‡ ๎ญ๎€™๎€‹๎ˆ ๎€™๎ƒณ

๎€™๎€‹๎† ๎€™๎ƒณ

๎‡ ๎๎‚‡ ๎๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ค๎‚‡ ๎‡ ๎‚‡๎ƒถ๎ˆ ๎ƒฎ๎‚‡๎ƒญ๎‡ ๎ญ๎ƒพ๎€‹๎ˆ ๎€ด

๎ƒพ๎€‹๎† ๎€ด

(8-88, 97) (8-99)

where the normalized impedance w.r.t. ๎€™๎ƒณ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎‡๎œ๎ญ๎€‹๎”๎€‚ is

๎ƒพ๎€‹โ‰ก ๎ญ๎€™๎ƒณ

๎€™๎€‹

๎‡ ๎ญ๎€‘๎ƒณ

๎€‘๎€‹

๎ˆ ๎ƒฎ ๎ญ๎€‘๎ƒณ

๎€—๎€‹

๎‡ ๎ƒถ ๎ˆ ๎ƒฎ ๎ƒผ (8-98)

Inverse relation of (8-99) with (8-97, 98) :

๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎ญ๎€ด ๎† ๎‚‡

๎€ด ๎ˆ ๎‚‡

๎‡ ๎ญ๎€ด ๎† ๎๎‚‡ ๎๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ค๎‚‡

๎€ด ๎ˆ ๎๎‚‡ ๎ ๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ค๎‚‡

๎‡ ๎ญ๎„๎€ด ๎† ๎‚‡๎ƒถ๎… ๎† ๎ƒฎ๎‚‡๎ƒญ

๎„๎€ด ๎ˆ ๎‚‡๎ƒถ๎… ๎ˆ ๎ƒฎ๎‚‡๎ƒญ

๎‡ ๎ƒถ ๎ˆ ๎ƒฎ ๎ƒผ (8-100)(8-101) (8-101)ร— ๎ญ๎„๎€ด ๎† ๎‚‡๎ƒถ๎… ๎ˆ ๎ƒฎ๎‚‡๎ƒญ

๎„๎€ด ๎† ๎‚‡๎ƒถ๎… ๎ˆ ๎ƒฎ๎‚‡๎ƒญ :

๎ƒถ ๎‡ ๎ญ๎„๎€ด ๎† ๎‚‡๎ƒถ๎…๎€ต๎ˆ ๎‚‡๎ƒญ๎€ต

๎€ด ๎† ๎‚‡๎ƒถ๎€ต๎† ๎‚‡๎ƒญ๎€ต

(8-102)

๎ƒผ ๎‡ ๎ญ๎„๎€ด ๎† ๎‚‡๎ƒถ๎…๎€ต๎ˆ ๎‚‡๎ƒญ๎€ต

๎€ต ๎‚‡๎ƒญ

(8-103)

Rearrangements of (8-102, 103) yield the parametric equations of constant-r and constant-x circles in the ๎‚‡๎ƒถ๎† ๎‚‡๎ƒญ plane,

respectively

๎„

๎‚‡๎ƒถ๎† ๎ญ๎€ด ๎ˆ ๎ƒถ

๎ƒถ

๎…

๎€ต๎ˆ ๎‚‡๎ƒญ๎€ต๎‡

๎„

๎ญ๎€ด ๎ˆ ๎ƒถ

๎€ด

๎…

๎€ต (8-104)

: Eqn. of const.-r circle of a radius ๎ญ

๎€ด ๎ˆ ๎ƒถ

๎€ด centered at

๎„

๎ญ๎€ด ๎ˆ ๎ƒถ

๎ƒถ ๎’ ๎€ฝ

๎…

๎„

๎‚‡๎ƒถ๎† ๎€ด

๎…

๎€ต๎ˆ

๎„

๎‚‡๎ƒญ๎† ๎ญ๎ƒผ

๎€ด

๎…

๎€ต๎‡

๎„

๎ญ๎ƒผ

๎€ด

๎…

๎€ต (8-105)

: Eqn. of const.-x circle of a radius ๎ญ

๎ƒผ

๎€ด centered at

๎„

๎€ด๎’ ๎ญ๎ƒผ

๎€ด

๎…

(2)

๎€…๎€ˆ๎€†๎€”๎€‘๎€„ ๎€ป ๎† ๎€น

๎€…๎€ˆ๎€†๎€”๎€‘๎€„ ๎€ป ๎† ๎€บ

๎€’๎€–๎€‘ ๎‡ ๎€’ ๎‡ ๎ƒถ ๎‡ ๎€ต

2) Construction of the Smith Chart

a) Smith Chart with ๎‚‡๎ƒถ๎† ๎‚‡๎ƒญ rectangular coordinates

b) Smith Chart with ๎๎‚‡ ๎ ๎† ๎‚ค๎‚‡ polar coordinates

๎‚‡ ๎‡ ๎๎‚‡ ๎ ๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ค๎‚‡๎‡ ๎„๎€ด๎”๎€ถ๎…โˆ ๎€ต๎€ป๎ƒณ

๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎ƒถ ๎ˆ ๎ƒฎ๎ƒผ ๎‡ ๎€ด๎“๎€บ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€น

๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎ƒถ ๎ˆ ๎ƒฎ๎ƒผ ๎‡ ๎€ด๎“๎€บ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€น

๎€ต๎€ป๎ƒณ

๎๎‚‡ ๎๎‚ค๎‚‡

๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒฅ๎ƒง๎ƒธ๎ƒฅ๎ƒฒ๎ƒง๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒจ๎ƒน๎ƒง๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ

๎€—๎€‹๎– ๎€ฝ

๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒฅ๎ƒง๎ƒธ๎ƒฅ๎ƒฒ๎ƒง๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒง๎ƒฅ๎ƒด๎ƒฅ๎ƒง๎ƒญ๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ

๎€—๎€‹๎• ๎€ฝ

๎€‘๎€‹๎•๎€‘๎ƒณ ๎€‘๎€‹๎–๎€‘๎ƒณ

๎๎‚‡ ๎ โ‰ค ๎€ด

๎„๎€ด ๎ˆ๎ƒฎ๎€ฝ๎…

๎„๎† ๎€ด ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ๎…

๎„๎€ฝ ๎ˆ๎ƒฎ๎€ฝ๎…

๎€๎ƒฑ๎ƒฅ๎ƒธ๎ƒง๎ƒฌ

โ€ข

๎„๎ƒฐ๎€ฆ ๎€š๎€ฑ๎…

๎„๎ƒฐ๎€ฆ ๎€ข๎€ง๎…

(3)

๎€…๎€ˆ๎€†๎€”๎€‘๎€„ ๎€ป ๎† ๎€ป

c) Commercially available Smith Chart

(e.g.)

๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎ƒถ๎ˆ๎ƒฎ๎ƒผ

๎‡ ๎€ด๎“๎€บ ๎ˆ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€น

๎ƒพโ€ฒ๎ƒญ๎ƒฒ ๎‚ง

๎ƒพ ๎ƒญ๎ƒฒ ๎‚ง

๎‚ค๎‚‡ ๎ƒญ๎ƒฒ ๎€๎€ž๎€ ๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒฉ๎„๎ƒณ๎…

๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎ƒถ๎ˆ ๎ƒฎ๎ƒผ

๎„๎ƒฑ๎ƒฅ๎ƒธ๎ƒง๎ƒฌ๎ƒฉ๎ƒจ ๎ƒฐ๎ƒญ ๎ƒฒ๎ƒฉ ๎…

๎„๎ƒณ๎“๎ƒง๎“๎…

๎„๎ƒท๎“๎ƒง๎“๎…

๎„๎ƒฑ๎ƒฅ๎ƒธ๎ƒง๎ƒฌ๎ƒฉ๎ƒจ ๎ƒฐ๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒฉ๎… ๎„๎ƒณ๎“๎ƒง๎“๎…

๎„๎ƒท๎“๎ƒง๎“๎…

๎„๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒจ๎ƒน๎ƒง๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒง๎ƒฅ๎ƒด๎ƒฅ๎ƒง๎ƒญ๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒจ๎ƒน๎ƒง๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒง๎ƒฅ๎ƒด๎ƒฅ๎ƒง๎ƒญ๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒท๎ƒญ๎ƒท๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒท๎ƒญ๎ƒท๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒท๎ƒญ๎ƒท๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒท๎ƒญ๎ƒท๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒท๎ƒญ๎ƒท๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ ๎†๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒจ๎ƒน๎ƒง๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒท๎ƒญ๎ƒท๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ ๎†๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒจ๎ƒน๎ƒง๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒท๎ƒญ๎ƒท๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ ๎† ๎ƒง๎ƒฅ๎ƒด๎ƒฅ๎ƒง๎ƒญ๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

๎„๎ƒถ๎ƒฉ๎ƒท๎ƒญ๎ƒท๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ ๎† ๎ƒง๎ƒฅ๎ƒด๎ƒฅ๎ƒง๎ƒญ๎ƒธ๎ƒญ๎ƒบ๎ƒฉ๎…

(4)

3) Applications of the Smith Chart

a) SWR(S) and locations(๎ƒฐ๎€ฆ๎€ข๎€ง & ๎ƒฐ๎€ฆ๎€š๎€ฑ ) of Vmin and Vmax on Smith Chart Along the real ๎‚‡ axis (๎ƒผ ๎‡ ๎€ฝ, ๎€—๎€‹๎‡ ๎€ฝ), ๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎ƒถ(๎€™๎€‹๎‡๎€‘๎€‹) in (8-99) :

๎‚‡ ๎‡ ๎ญ๎€‘๎€‹๎ˆ ๎€‘๎ƒณ

๎€‘๎€‹๎† ๎€‘๎ƒณ

๎‡ ๎ญ

๎ƒถ๎ˆ ๎€ด

๎ƒถ๎† ๎€ด ๎‡ ๎ญ๎€’๎ˆ ๎€ด

๎€’๎† ๎€ด

(8-106)

โ‡’ ๎€’๎‡ ๎ƒถ ๎‡ ๎€‘๎€‹๎”๎€‘๎ƒณ ๎€Ÿ๎€จ๎€ซ ๎€‘๎€‹๎– ๎€‘๎ƒณ

โ‡’ ๎€’ is numerically equal to the value of ๎ƒถ at ๎€๎€Œ

[SWR circle (constant-๎๎‚‡ ๎ circle) intersects the real ๎‚‡ axis at ๎€๎€Œ] The points ๎€๎ƒฑ ๎€š๎€ง๎€ ๎€๎€Œ also represent the first distances,

๎ƒฐ๎€ฆ๎€ข๎€ง ๎€š๎€ง๎€ ๎ƒฐ๎€ฆ๎€š๎€ฑ, from the load for ๎€•๎€ฆ๎€ข๎€ง ๎€š๎€ง๎€ ๎€•๎€ฆ๎€š๎€ฑ , respectively.

(7) and (8) on p.13 :

1st min. position: ๎ƒฐ๎€ฆ๎€ข๎€ง๎‡

๎„

๎ญ๎‚ฌ

๎‚ค๎‚‡

๎ˆ ๎€ด

๎…

๎ญ๎€ท

๎‚ง (7)

1st max. position: ๎ƒฐ๎€ฆ๎€š๎€ฑ๎‡ ๎ญ๎€ท๎‚ฌ

๎‚ค๎‚‡๎‚ง

(for ๎‚ค๎‚‡๎– ๎€ฝ) or ๎ญ๎€ท๎‚ฌ

๎‚ค๎‚‡๎‚ง

๎ˆ ๎ญ๎€ต

๎‚ง(for ๎‚ค๎‚‡๎• ๎€ฝ) (8)

(e.g.)

๎„๎€ป ๎† ๎€ผ๎€ด๎…

๎ƒฐ๎€ฆ๎€ข๎€ง

๎ƒฐ๎€ฆ๎€ข๎€ง

๎ƒฐ๎€ฆ๎€ข๎€ง

๎ƒฐ๎€ฆ๎€ข๎€ง

๎€ด ๎ˆ๎ƒฎ๎€ฝ

๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ โˆž

๎€ต ๎ˆ๎ƒฎ๎€ฝ

๎€ฝ๎“๎€ธ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ

๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด

๎€ฝ ๎† ๎ƒฎ๎€ด

๎€ฝ๎“๎€ป ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€น

๎€ฝ๎“๎€ป ๎† ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€น

(5)

b) Normalized input impedance on Smith Chart

(8-77) โ‡’ ๎€™๎ƒญ๎„๎ƒพโ€ฒ๎… ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎ญ

๎€ด ๎† ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎ƒฎ๎€ต๎‚ž๎ƒพโ€ฒ

๎€ด ๎ˆ ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎ƒฎ๎€ต๎‚ž๎ƒพโ€ฒ

(8-107)

Normalized input impedance:

๎ƒพ๎ƒญ๎„๎ƒพโ€ฒ๎… โ‰ก ๎ญ๎€™๎ƒณ

๎€™๎ƒญ

๎‡ ๎ญ๎€ด ๎† ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎ƒฎ๎€ต๎‚ž๎ƒพโ€ฒ

๎€ด ๎ˆ ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎ƒฎ๎€ต๎‚ž๎ƒพโ€ฒ

๎‡ ๎ญ๎€ด ๎† ๎๎‚‡ ๎ ๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ฑโ€ฒ

๎€ด ๎ˆ ๎๎‚‡ ๎ ๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ฑ

(8-108)

where ๎‚ฑ ๎‡ ๎‚ค๎‚‡๎† ๎€ต๎‚ž ๎ƒพโ€ฒ (8-109)

(cf) (8-108) for ๎ƒพโ€ฒ๎‡ ๎€ฝ becomes ๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎ญ

๎€ด ๎† ๎๎‚‡ ๎๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ค๎‚‡

๎€ด ๎ˆ๎๎‚‡ ๎ ๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ค๎‚‡

(8-100)

Similarity in form of (8-108) and (8-100)

โ‡’ ๎ƒพ๎€‹ can be transformed into ๎ƒพ๎ƒญ if ๎‚‡ is transformed maintaining

๎๎‚‡๎ constant and decreasing the phase ๎‚ค๎‚‡ by ๎€ต๎‚ž๎ƒพโ€ฒ๎‡ ๎€ท๎‚ฌ๎„๎ƒพโ€ฒ๎”๎‚ง๎….

โ‡’ Wavelength Toward Generator (WTG) in cw direction ๎„๎ƒพโ€ฒโ†‘๎…

= Outermost scale in units of ๎‚ง around the perimeter Wavelength Toward Load (WTL)in ccw direction ๎„๎ƒพโ€ฒโ†“๎…

= Inner scale in units of ๎‚ง around the perimeter Note) โˆ†๎ƒพโ€ฒ๎‡ ๎‚ง๎”๎€ต ๎ƒญ๎ƒฒ ๎‚ฑ โ‡’ ๎€ต๎‚žโˆ†๎ƒพโ€ฒ๎‡ ๎€ท๎‚ฌ๎„๎‚ง๎”๎€ต๎”๎‚ง๎… ๎‡ ๎€ต๎‚ฌ

: one complete rotation around the chart

(e.g. 8-7)

Given s.c. (๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎€ฝ), lossless ๎€‘๎ƒณ๎‡ ๎€ธ๎€ฝ ( ),โ„ฆ ๎ƒพโ€ฒ๎‡ ๎ƒฐ ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ด ๎‚ง. Find ๎€™๎ƒญ๎‡ ๎— using the Smith Chart.

(cf) Analytical solution:

From (8-82), ๎€™๎ƒญ๎ƒท๎ƒง๎‡ ๎ƒฎ๎€‘๎ƒณ๎€ญ๎€š๎€ง๎‚ž๎ƒฐ ๎‡ ๎ƒฎ๎€‘๎ƒณ๎€ญ๎€š๎€ง๎„๎€ต๎‚ฌ๎ƒฐ๎”๎‚ง๎…

๎‡ ๎ƒฎ๎€ธ๎€ฝ๎€ญ๎€š๎€ง

๎„

๎ญ๎‚ง

๎€ต๎‚ฌ ร— ๎€ฝ๎“๎€ด๎‚ง

๎…

๎‡ ๎ƒฎ๎€ธ๎€ฝ ๎€ญ๎€š๎€ง๎€ถ๎€น๎ƒณ๎‡ ๎ƒฎ๎€ถ๎€น๎“๎€ถ( )โ„ฆ Graphical solution by using Smith Chart:

Start at

โ‘  ๎€๎ƒท๎ƒง๎„๎ƒถ ๎‡ ๎€ฝ๎’ ๎ƒผ ๎‡ ๎€ฝ๎…

โ†’ โ‘ก Move along WTG by 0.1 to ๎€๎€ด

โ†’ โ‘ข At ๎€๎€ด, read ๎ƒถ ๎‡ ๎€ฝ๎’ ๎ƒผ โ‰… ๎€ฝ๎“๎€บ๎€ต๎€ธ

โ‡’ โˆด ๎ƒพ๎ƒญ๎‡ ๎ƒถ ๎ˆ ๎ƒฎ๎ƒผ ๎‡ ๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€บ๎€ต๎€ธ

โ‡’ ๎€™๎ƒญ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎ƒพ๎ƒญ๎‡ ๎€ธ๎€ฝ๎„๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€บ๎€ต๎€ธ๎… ๎‡ ๎ƒฎ๎€ถ๎€น๎“๎€ถ ( )โ„ฆ

(6)

(e.g. 8-8)

Given lossless ๎€™๎ƒณ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎‡ ๎€ด๎€ฝ๎€ฝ( ),โ„ฆ ๎ƒพโ€ฒ๎‡ ๎ƒฐ ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ท๎€ถ๎€ท ๎‚ง, ๎€™๎€‹๎‡ ๎€ต๎€น๎€ฝ ๎ˆ๎ƒฎ๎€ด๎€ป๎€ฝ( ).โ„ฆ Find (a) ๎‚‡, (b) ๎€’, (c) ๎€™๎ƒญ, (d) ๎ƒฐ๎€ฆ๎€š๎€ฑ using the Smith Chart.

(cf) Analytical solutions:

(a) (8-88) โ‡’ ๎‚‡ ๎‡ ๎ญ

๎€™๎€‹๎ˆ๎€™๎ƒณ

๎€™๎€‹๎†๎€™๎ƒณ

๎‡ ๎๎‚‡ ๎ ๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ค๎‚‡

โ‡’ ๎‚‡ ๎‡ ๎ญ๎„๎€ต๎€น๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ป๎€ฝ๎… ๎ˆ ๎€ด๎€ฝ๎€ฝ

๎„๎€ต๎€น๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ป๎€ฝ๎… ๎† ๎€ด๎€ฝ๎€ฝ

๎‡ ๎ญ๎€ถ๎€น ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ป

๎€ด๎€น ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ป

๎‡ ๎ญ๎€ถ๎€น๎€ต๎ˆ ๎€ด๎€ป๎€ต

๎„๎€ด๎€น ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ป๎…๎„๎€ถ๎€น ๎† ๎ƒฎ๎€ด๎€ป๎…

๎‡ ๎ญ๎€ด๎€น๎€ต๎€ฝ

๎€ผ๎€ฝ๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ถ๎€น๎€ฝ

๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ธ๎€ธ๎€ธ๎€น ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€ต๎€ต๎€ต๎€ต โ‰…๎€ฝ๎“๎€นโˆ ๎€ต๎€ด๎“๎€น๎ƒณ

(b) (8-90) โ‡’ ๎€’๎‡ ๎ญ

๎€ด ๎† ๎๎‚‡๎

๎€ด ๎ˆ ๎๎‚‡๎

๎‡ ๎ญ๎€ด ๎† ๎€ฝ๎“๎€น

๎€ด ๎ˆ ๎€ฝ๎“๎€น

๎‡ ๎€ท (c) (8-79) โ‡’ ๎€™๎ƒญ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎ญ๎€‘๎ƒณ๎ˆ ๎ƒฎ๎€™๎€‹๎€ญ๎€š๎€ง๎‚ž๎ƒฐ

๎€™๎€‹๎ˆ ๎ƒฎ๎€‘๎ƒณ๎€ญ๎€š๎€ง๎‚ž๎ƒฐ

๎‡ ๎€ด๎€ฝ๎€ฝ

๎€ด๎€ฝ๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎„๎€ต๎€น๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ป๎€ฝ๎…๎€ญ๎€š๎€ง ๎„๎€ต๎‚ฌ ร— ๎€ฝ๎“๎€ท๎€ถ๎€ท๎‚ง ๎” ๎‚ง๎…

๎„๎€ต๎€น๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ป๎€ฝ๎… ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ฝ๎€ฝ ๎€ญ๎€š๎€ง ๎„๎€ต๎‚ฌ ร— ๎€ฝ๎“๎€ท๎€ถ๎€ท๎‚ง ๎” ๎‚ง๎…

๎‡ ๎€ด๎€ฝ๎€ฝ

๎‰๎€ด๎€ฝ๎€ฝ ๎† ๎€ด๎€ป๎€ฝ๎€ญ๎€š๎€ง ๎„๎€ฝ๎“๎€ป๎€น๎€ป๎‚ฌ๎…๎Š ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ต๎€น๎€ฝ๎€ญ๎€š๎€ง ๎„๎€ฝ๎“๎€ป๎€น๎€ป๎‚ฌ๎…

๎€ต๎€น๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ๎‰๎€ด๎€ป๎€ฝ ๎ˆ ๎€ด๎€ฝ๎€ฝ ๎€ญ๎€š๎€ง ๎„๎€ฝ๎“๎€ป๎€น๎€ท๎‚ฌ๎…๎Š

๎‡ ๎€น๎€ผ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ต๎€ฝ( )โ„ฆ

(d) (8) on p.13 โ‡’ ๎ƒฐ๎€ฆ๎€š๎€ฑ๎‡ ๎ญ๎€ท๎‚ฌ

๎‚ค๎‚‡๎‚ง

๎‡ ๎ญ๎€ท ร—๎€ด๎€ป๎€ฝ๎ƒณ

๎€ต๎€ด๎“๎€น๎ƒณ๎‚ง

๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ถ ๎‚ง

๎„๎€ฝ๎“๎€น๎€ผ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎“๎€ต๎…

๎ƒพโ€ฒ๎”๎‚ง ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ท๎€ถ๎€ท

๎€’ ๎‡ ๎ƒถ ๎‡ ๎€ท

๎๎‚‡ ๎ ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€น

๎‚ค๎‚‡๎‡ ๎€ต๎€ด๎“๎€น๎ƒณ

๎„๎€ต๎“๎€น ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎“๎€ป๎…

๎„๎ƒถ ๎‡ ๎€ฝ๎’ ๎ƒผ ๎‡ ๎€ฝ๎…

๎ƒถ ๎‡ ๎€ฝ๎’ ๎ƒผ โ‰… ๎€ฝ๎“๎€บ๎€ต๎€ธ

โ‘ก

โ‘ 

โ‘ข

๎„๎ƒฉ๎“๎ƒซ๎“๎€ป ๎† ๎€บ๎…

๎€ฝ๎“๎€ด๎‚ง โ‘ข

โ‘ 

๎„๎ƒฉ๎“๎ƒซ๎“๎€ป ๎† ๎€ป๎…

โ‘ก

โ‘ฃ

โ‘ค

โ‘ฅ

โ‘ฆ

๎ƒฐ๎€ฆ ๎€š๎€ฑ

๎€ฝ๎“๎€ต๎€ต

๎€ฝ๎“๎€ต๎€ธ

(7)

Graphical solution by using Smith Chart:

(a) โ‘  Start at ๎€๎€ต๎„๎ƒพ๎€‹๎‡๎€™๎€‹๎”๎€‘๎ƒณ๎‡ ๎€ต๎“๎€น ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎“๎€ป๎…

โ†’ โ‘ก Draw a circle of radius ๎ญ๎€Ž๎€๎€ต : ๎ญ

๎ญ๎€Ž๎€๎€ตโ€ฒ

๎ญ๎€Ž๎€๎€ต

๎‡ ๎๎‚‡ ๎ ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€น

โ†’ โ‘ข At ๎€๎€ตโ€ฒ, read ๎‚ค๎‚‡๎‡ ๎€ต๎€ด๎“๎€น๎ƒณ

(or ๎ƒพโ€ฒ๎”๎‚ง ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ต๎€ต๎€ฝ โ‡’ ๎„๎€ฝ๎“๎€ต๎€ธ ๎† ๎€ฝ๎“๎€ต๎€ต๎…ร—๎€ท๎‚ฌ ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ด๎€ต๎‚ฌ ๎‡ ๎€ต๎€ด๎“๎€น๎ƒณ )

โ‡’ โˆด ๎‚‡ ๎‡ ๎๎‚‡ ๎ ๎ƒฉ๎ƒฎ๎‚ค๎‚‡๎‡ ๎€ฝ๎“๎€นโˆ ๎€ต๎€ด๎“๎€น๎ƒณ

(b) โ‘ฃ Read ๎ƒถ at ๎€๎€Œ where the ๎๎‚‡ ๎ ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€น circle intersects with the positive-real axis

โ‡’ โˆด ๎€’๎‡ ๎ƒถ ๎‡ ๎€ท

(c) โ‘ค Move ๎€๎€ต ๎€จ๎€ซ ๎€๎€ตโ€ฒ along WTG by ๎ƒพโ€ฒ๎”๎‚ง ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ท๎€ถ๎€ท up to ๎€๎€ถ ๎€จ๎€ซ ๎€๎€ถโ€ฒ

โ†’ โ‘ฅ At ๎€๎€ถ, read ๎ƒถ ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€น๎€ผ๎’ ๎ƒผ ๎‡ ๎€ด๎“๎€ต

โ‡’ ๎€™๎ƒญ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎ƒพ๎ƒญ๎‡ ๎€ด๎€ฝ๎€ฝ๎„๎€ฝ๎“๎€น๎€ผ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎“๎€ต๎… ๎‡ ๎€น๎€ผ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ด๎€ต๎€ฝ ( )โ„ฆ

(d) โ‘ฆ At ๎€๎€Œ where the voltage is a maximum,

distance from the load: ๎ƒฐ๎€ฆ๎€š๎€ฑ ๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€ต๎€ธ ๎† ๎€ฝ๎“๎€ต๎€ต๎…๎‚ง ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ถ๎‚ง

c) Normalized admittance on Smith Chart Admittance corresponding to Z :

๎€˜ ๎‡ ๎ญ

๎€™

๎€ด ๎‡ ๎ญ๎€‘๎ˆ ๎ƒฎ๎€—

๎€ด ๎‡ ๎ญ๎€‘๎€ต๎ˆ๎€—๎€ต

๎€‘๎† ๎ƒฎ๎€—

๎‡๎€†๎ˆ ๎ƒฎ๎€ (S) (16)

where ๎€†๎‡๎€‘๎”๎„๎€‘๎€ต๎ˆ๎€—๎€ต๎… (S) : conductance (17)

๎€๎‡ ๎†๎€—๎”๎„๎€‘๎€ต๎ˆ๎€—๎€ต๎… (S) : susceptance (18)

Normalized load admittance:

๎ƒฝ๎€‹โ‰ก ๎ญ๎€˜๎ƒณ

๎€˜๎€‹

๎‡ ๎ญ๎ƒพ๎€‹

๎€ด ๎‡ ๎ญ๎€™๎€‹

๎€™๎ƒณ

๎‡ ๎€™๎ƒณ๎€˜๎€‹๎‡ ๎ƒซ ๎ˆ ๎ƒฎ๎ƒฆ (8-112, 113) (8-100) ๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎ญ๎€ด ๎† ๎‚‡

๎€ด ๎ˆ ๎‚‡ in (8-112) : ๎ƒฝ๎€‹๎‡ ๎ญ๎ƒพ๎€‹

๎€ด ๎‡ ๎ญ๎€ด ๎ˆ ๎‚‡

๎€ด ๎† ๎‚‡

(19)

Normalized input impedance of a quarter-wave lossless line:

(8-78) ๎€™๎ƒญ๎‡ ๎€™๎ƒณ๎ญ๎€ด ๎† ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎€ต๎‚Ÿ ๎ƒฐ

๎€ด ๎ˆ ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎€ต๎‚Ÿ ๎ƒฐ

โ‡’ ๎ƒพ๎ƒญ๎„๎ƒฐ ๎‡ ๎‚ง๎”๎€ท๎… ๎‡ ๎ญ๎€ด ๎† ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎ƒฎ๎€ต๎‚ž ๎ƒฐ

๎€ด ๎ˆ ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎ƒฎ๎€ต๎‚ž๎ƒฐ

๎‡ ๎ญ๎€ด ๎† ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎ƒฎ๎‚ฌ

๎€ด ๎ˆ ๎‚‡ ๎ƒฉ๎† ๎ƒฎ๎‚ฌ

๎‡ ๎ญ๎€ด ๎ˆ ๎‚‡

๎€ด ๎† ๎‚‡

๎‡ ๎ƒฝ๎€‹ (20)

Note) (8-111) ๎€™๎ƒญ๎‡ ๎ญ๎€™๎€‹

๎€™๎ƒณ๎€ต

โ‡’ ๎ญ๎€™๎ƒณ

๎€™๎ƒญ

๎‡ ๎ญ๎€™๎€‹

๎€™๎ƒณ

โ‡’ ๎ƒพ๎ƒญ๎‡ ๎ƒฝ๎€‹ (20)

๎„๎€ด๎€ผ๎…

(8)

๎€…๎€ˆ๎€†๎€”๎€‘๎€„ ๎€ป ๎† ๎€ด๎€ฝ

Therefore, ๎ƒพ๎€‹ can be transformed into ๎ƒฝ๎€‹ by rotating ๎‚ง๎”๎€ท ๎„๎€ด๎€ป๎€ฝ๎ƒณ๎… on the Smith Chart.

โ‡’ ๎ƒพ๎€‹๎€š๎€ง๎€ ๎ƒฝ๎€‹ are diametrically opposite to each other on the ๎๎‚‡ ๎-circle

(๎ƒถ โ†’ ๎ƒซ๎’ ๎ƒผ โ†’ ๎ƒฆ๎’ ๎ƒณ๎“๎ƒง๎“ โ†” ๎ƒท๎“๎ƒง๎“ โ‡’ ๎ƒฅ๎ƒจ๎ƒฑ๎ƒญ๎ƒธ๎ƒธ๎ƒฅ๎ƒฒ๎ƒง๎ƒฉ ๎ƒง๎ƒฌ๎ƒฅ๎ƒถ๎ƒธ )

(e.g. 8-9)

Given ๎€™ ๎‡ ๎€ผ๎€ธ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ต๎€ฝ ( ), findโ„ฆ ๎€˜.

Assume ๎€™๎ƒณ ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎‡ ๎€ธ๎€ฝ ( ),โ„ฆ then ๎ƒพ ๎‡ ๎„๎€ผ๎€ธ ๎ˆ๎ƒฎ๎€ต๎€ฝ๎…๎” ๎€ธ๎€ฝ ๎‡ ๎€ด๎“๎€ผ ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€ท

โ‡’ ๎€˜ ๎‡ ๎ƒฝ ๎” ๎€‘๎ƒณ

๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€ธ ๎† ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€ด๎…๎”๎€ธ๎€ฝ

๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ด ๎† ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ฝ๎€ต (S)

(e.g. 8-10)

Given lossless o.c. ๎€™๎ƒณ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎‡ ๎€ถ๎€ฝ๎€ฝ ( ),โ„ฆ ๎ƒพโ€ฒ๎‡ ๎ƒฐ ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ท๎‚ง, find ๎€˜๎ƒญ .

๎€˜๎ƒญ๎‡ ๎ƒฝ๎ƒญ๎” ๎€™๎ƒณ

๎‡ ๎„๎€ฝ ๎ˆ ๎ƒฎ ๎€ฝ๎“๎€ต๎€น๎… ๎” ๎€ถ๎€ฝ๎€ฝ

โ‰… ๎ƒฎ ๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ฝ๎€ฝ๎€ป๎€บ (S)

๎‡ ๎ƒฎ ๎€ฝ๎“๎€ป๎€บ (mS)

๎๎‚‡ ๎๎† ๎ƒง๎ƒญ๎ƒถ๎ƒง๎ƒฐ๎ƒฉ

๎ƒพ ๎‡ ๎„๎ƒถ๎’ ๎ƒผ๎… ๎‡ ๎„๎€ด๎“๎€ผ๎’ ๎€ฝ๎“๎€ท๎…

๎ƒฝ ๎‡ ๎„๎ƒซ๎’ ๎ƒฆ๎… ๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€ธ๎’ ๎† ๎€ฝ๎“๎€ด๎…

๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ท

๎๎‚‡ ๎ ๎† ๎ƒง๎ƒญ๎ƒถ๎ƒง๎ƒฐ๎ƒฉ

๎ƒฝ๎ƒญ๎‡ ๎„๎ƒซ๎ƒญ๎’๎ƒฆ๎ƒญ๎…๎‡ ๎„๎€ฝ๎’ ๎€ฝ๎“๎€ต๎€น๎…

๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ท

๎€๎ƒณ๎ƒง

๎€๎ƒท๎ƒง

๎‡ ๎ƒซ

๎‡ ๎ƒฆ

(9)

B. Transmission-Line Impedance Matching

1) Impedance-Matching Network

๎€™๎€‹๎‡ ๎€™๎ƒณ โ‡’ Matched line

(No reflection, no distortion, no power loss at the load) In general, ๎€™๎€‹ โ‰  ๎€™๎ƒณ

โ‡’ needs an impedance-matching network having ๎€™๎ƒญ๎‡ ๎€™๎ƒณ [No reflection at the line terminal BB', usually consists of

inductors(L) and capacitors(C) to avoid ohmic losses]

For a lossless line (๎€™๎ƒณ ๎‡๎€‘๎ƒณ๎ˆ ๎ƒฎ๎€ฝ), ๎€™๎€‹ ๎‡๎€‘๎€‹๎ˆ ๎ƒฎ๎€—๎€‹ ๎‡๎€‘๎ƒณfor matching i.e., ๎€—๎€‹ ๎‡ ๎€ฝ for matching.

2) Single-stub method for impedance matching

= short circuit (or open circuit) connected at a lossless transmission line in parallel with another line connecting the load.

Wish to determine the location ๎ƒจ and the length ๎ƒฐ for impedance- (or admittance) matching such that

๎€˜๎ƒญ๎‡ ๎€˜๎ƒณ๎‡ ๎€˜๎€๎ˆ ๎€˜๎ƒท (8-114) โ‡’ ๎€ด ๎‡ ๎ƒฝ๎€๎ˆ ๎ƒฝ๎ƒท (8-115)

where ๎ƒฝ๎€๎‡ ๎€ด ๎ˆ ๎ƒฎ ๎ƒฆ๎€ (find ๎ƒจ) and ๎ƒฝ๎ƒท๎‡ ๎† ๎ƒฎ ๎ƒฆ๎€ (find ๎ƒฐ) (8-116, 117)

๎€…๎€ˆ๎€†๎€”๎€‘๎€„ ๎€ป ๎† ๎€ด๎€ต

๎€…๎ƒฉ๎ƒฉ๎ƒจ๎ƒฐ๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒฉ ๎€

๎€โ€ฒ

๎€๎ƒฉ๎ƒธ๎ƒป๎ƒณ๎ƒถ๎ƒฏ

๎€Œ๎ƒฅ๎ƒธ๎ƒง๎ƒฌ๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒซ

๎€…๎ƒฉ๎ƒฉ๎ƒจ๎ƒฐ๎ƒญ๎ƒฒ๎ƒฉ

๎ƒท๎“๎ƒง๎“ ๎ƒท๎ƒธ๎ƒน๎ƒฆ

โ‡’

๎€˜๎ƒณ ๎€

๎‡ ๎€ด๎”๎€˜๎ƒณ

๎ƒฐ๎ƒณ๎ƒฅ๎ƒจ ๎ƒท๎ƒฉ๎ƒง๎ƒธ๎ƒญ๎ƒณ๎ƒฒ

(10)

Procedure for single-stub impedance-matching:

Start at

โ‘  ๎ƒพ๎€‹ โ†’ ๎ƒฝ๎€‹

โ†’ โ‘ก Find intersections of the ๎๎‚‡๎-circle and the ๎ƒซ ๎‡ ๎€ด circle.

๎ƒฝ๎€๎€ด๎‡ ๎€ด ๎ˆ ๎ƒฎ ๎ƒฆ๎€๎€ด and ๎ƒฝ๎€๎€ต๎‡ ๎€ด ๎ˆ ๎ƒฎ ๎ƒฆ๎€๎€ต

โ†’ โ‘ข Determine ๎ƒจ๎€ด๎’ ๎ƒจ๎€ต from the angles between ๎ƒฝ๎€‹ and ๎ƒฝ๎€๎€ด๎’ ๎ƒฝ๎€๎€ต

โ†’ โ‘ฃ Determine ๎ƒฐ๎€ด๎’ ๎ƒฐ๎€ต from the angles between ๎€๎ƒท๎ƒง(extreme right) and ๎ƒฝ๎ƒท๎€ด๎‡ ๎† ๎ƒฎ ๎ƒฆ๎€๎€ด๎’ ๎ƒฝ๎ƒท๎€ต๎‡ ๎† ๎ƒฎ ๎ƒฆ๎€๎€ต

(e.g. 8-11)

Given lossless ๎€™๎ƒณ๎‡ ๎€‘๎ƒณ๎‡ ๎€ธ๎€ฝ( ),โ„ฆ ๎€™๎€‹๎‡ ๎€ถ๎€ธ ๎† ๎ƒฎ๎€ท๎€บ๎“๎€ธ( ), findโ„ฆ ๎ƒจ ๎€š๎€ง๎€ ๎ƒฐ.

โ‘  ๎ƒพ๎€‹๎‡๎€™๎€‹๎”๎€‘๎ƒณ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€บ๎€ฝ ๎† ๎ƒฎ๎€ฝ๎“๎€ผ๎€ธ

โ‘ก ๎ƒฝ๎€๎€ด๎‡ ๎„๎€ด๎’ ๎€ด๎“๎€ต๎…, ๎ƒฝ๎€๎€ต๎‡ ๎„๎€ด๎’ ๎† ๎€ด๎“๎€ต๎…

โ‘ข ๎ƒจ๎€ด๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€ด๎€น๎€ป ๎† ๎€ฝ๎“๎€ด๎€ฝ๎€ผ๎…๎‚ง ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ฝ๎€ธ๎€ผ๎‚ง and ๎ƒจ๎€ต๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€ถ๎€ถ๎€ต ๎† ๎€ฝ๎“๎€ด๎€ฝ๎€ผ๎…๎‚ง ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ต๎€ต๎€ถ๎‚ง

โ‘ฃ ๎ƒฐ๎€ด๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€ถ๎€น๎€ด ๎† ๎€ฝ๎“๎€ต๎€ธ๎€ฝ๎…๎‚ง ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ด๎€ด๎€ด๎‚ง and ๎ƒฐ๎€ต๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€ด๎€ถ๎€ผ ๎ˆ ๎€ฝ๎“๎€ต๎€ธ๎€ฝ๎…๎‚ง ๎‡ ๎€ฝ๎“๎€ถ๎€ป๎€ผ๎‚ง

Homework Set 5

1) P.8-18 2) P.8-20 3) P.8-21 4) P.8-24 5) P.8-27

๎ƒพ๎€‹๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€บ๎€ฝ๎’ ๎€ฝ๎“๎€ผ๎€ธ๎…

๎ƒฝ๎€‹๎‡ ๎„๎€ฝ๎“๎€ธ๎€ฝ๎’ ๎€ฝ๎“๎€บ๎€ฝ๎…

๎€ฝ๎“๎€ด๎€ฝ๎€ผ

๎ƒฝ๎€๎€ด๎‡ ๎„๎€ด๎’ ๎€ด๎“๎€ต๎…

๎ƒฝ๎€๎€ต๎‡ ๎„๎€ด๎’ ๎† ๎€ด๎“๎€ต๎…

๎€ฝ๎“๎€ด๎€น๎€ป

๎€ฝ๎“๎€ถ๎€ถ๎€ต

๎€ฝ๎“๎€ต๎€ธ๎€ฝ

๎€ฝ๎“๎€ถ๎€น๎€ด

๎€ฝ๎“๎€ด๎€ถ๎€ผ

โ‘ 

๎๎‚‡ ๎๎† ๎ƒง๎ƒญ๎ƒถ๎ƒง๎ƒฐ๎ƒฉ

โ‘ก

โ‘ก

โ‘ข๎ƒจ

๎€ด

โ‘ข๎ƒจ

๎€ต

โ‘ฃ๎ƒฐ

๎€ด

โ‘ฃ๎ƒฐ

๎€ต

๎€…๎€ˆ๎€†๎€”๎€‘๎€„ ๎€ป ๎† ๎€ด๎€ถ

โ‘ 

Referensi

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