Smithov diagram pozná takmer každý rádioamatér, ktorý niekedy prispôsoboval anténu. Menej z nás však s ním pracuje každý deň. Kruhy, oblúky a normované impedancie na papieri pôsobia odstrašujúco, hoci za nimi stojí jednoduchá myšlienka: ukázať, ako každá súčiastka posúva impedanciu. Práve tu prichádza na rad QuickSmith, bezplatný Smithov diagram, ktorý beží priamo v prehliadači.
Netreba nič inštalovať. Otvoríte stránku quicksmith.online, pretiahnete súčiastku na schému a hneď vidíte, kam sa bod na diagrame posunie. A ak máte doma nanoVNA, môžete do programu načítať aj vlastné merania.
V článku sa dočítate
Čo je QuickSmith a odkiaľ prichádza
QuickSmith je simulátor Smithovho diagramu na skladanie rebríčkových (ladder) sietí. Okrem samotného prispôsobenia zvláda rozmietanie kmitočtu alebo hodnoty súčiastky, návrh zosilňovačov a výpočet mikropásikových a koaxiálnych vedení. Je bezplatný a open-source.
Program nie je žiadnou novinkou. Prvá verzia vznikla už v roku 1993 pre Windows 3.1. Na web sa presunul v roku 2017 a v roku 2026 prešiel kompletnou prestavbou. Za tie roky si našiel cestu aj do odbornej literatúry. Harold Kinley, WA4GIB, mu v roku 2010 venoval dvojdielny článok „Using QuickSmith“ v časopise QEX a spomína ho aj vo svojej knihe The Radioman’s Manual of RF Devices, Principles and Practices. V Japonsku ho Katsumi Ooi, JA5COY, pribaľoval na CD k svojim knihám o anténach a prispôsobení z vydavateľstva CQ Publishing. RF Cafe ho uvádza medzi nástrojmi pre Smithov diagram od deväťdesiatych rokov.
Prvé kroky
Po otvorení stránky vidíte vľavo Smithov diagram a vpravo schému. Na ľavom konci schémy je záťaž, teda zariadenie, ktoré meriate, napríklad anténa na konci kábla analyzátora. Na pravom konci je Zin, vstupná impedancia, ktorú program zobrazuje.
Práca je naozaj jednoduchá. Zo zásobníka súčiastok pretiahnete napríklad rezistor na prázdny slot nad alebo pod rebríčkom. Sloty, ktoré súčiastku prijmú, sa pri ťahaní zvýraznia. Program sa opýta na hodnotu a bod na diagrame sa okamžite posunie. Ak chcete slot vyčistiť, pretiahnete naň vodič.
Predvolené jednotky sú pre rádioamatéra prirodzené:
- kmitočet v MHz,
- odpor a reaktancia v ohmoch,
- indukčnosť v nH,
- kapacita v pF,
- dĺžka vedenia v elektrických stupňoch. Palce, milimetre alebo vlnové dĺžky si nastavíte v Settings.
Záťaž zadáte pretiahnutím čipu RX na jej slot, vtedy ju zadávate ako R + jX. Čipom MA ju zadáte ako veľkosť a uhol. Hodnoty potom môžete prepisovať priamo v poliach. Krok šípok zmeníte dvojklikom na pole hodnoty alebo kliknutím a stlačením klávesu S. FAQ odporúča hrubý krok na priblíženie a jemný na doladenie. Chybu vrátite cez Ctrl+Z, na Macu ⌘Z.
Prispôsobenie na 50 Ω
Princíp je rovnaký ako na papierovom diagrame. Zadáte záťaž a pracovný kmitočet a pridávate súčiastky, kým bod nedorazí do stredu diagramu. Najprv sa dostanete na kružnicu, ktorá prechádza stredom, a poslednou súčiastkou sa po nej posuniete do stredu.
Ak neviete, ktorým smerom ďalej, zapnite prekrytie Next move. Ukáže najkratšiu cestu k cieľu a priebežne sa aktualizuje. Každú súčiastku môžete ladiť aj ťahaním priamo po diagrame. Program dopočíta hodnotu, ktorá bod posunie pod kurzor, a súčiastka sa pritom pohybuje po svojej kružnici konštantného odporu alebo vodivosti. Na pochopenie toho, čo vlastne robí sériová cievka alebo paralelný kondenzátor, je to výborná pomôcka.
Auto-match
Kto nechce hľadať ručne, stlačí tlačidlo Auto-match to 50 Ω v strede menu. Program vypíše všetky dvojprvkové siete, ktoré na danom kmitočte dosiahnu charakteristickú impedanciu, aj s hodnotami súčiastok a zaťaženým Q. Zoradené sú od najnižšieho Q. Ak zadáte požadované Loaded Q, pribudnú aj články Pi a T. Kým niektorú sieť nepoužijete, nič sa nezmení.
Potrebujete iný systém ako 50 Ω? Charakteristickú impedanciu zmeníte v Settings, alebo umiestnite na diagram cieľovú značku a prispôsobujete na ňu.
Výsledok vidíte v stĺpci údajov vedľa diagramu: Zin, Yin, koeficient odrazu Γ, PSV, return loss, vložný útlm, zaťažené Q a šírku pásma pre PSV menšie ako 2. Ďalšie hodnoty a ekvivalenty nájdete pod voľbou „All values and equivalents“.
Meranie z analyzátora a širokopásmové prispôsobenie
Pre rádioamatéra je to azda najzaujímavejšia funkcia. Cez Data → Open Measurement načítate súbory Touchstone (.s1p, .s2p a podobné), ktoré exportuje napríklad NanoVNA, alebo vlastný formát .gam. Meranie môžete použiť ako záťaž, vtedy ho program interpoluje v celom rozsahu kmitočtov, alebo ako porovnávaciu krivku. Ak meranie práve nemáte, program obsahuje aj ukážkové merania.
Po načítaní merania sa objaví tlačidlo Broadband match. Program vyskúša šesť topológií a nehľadá najlepšie priemerné, ale najlepšie najhoršie PSV v celom pásme. Zároveň ukáže teoretický limit podľa Bode-Fana a navrhne pásma, ktoré stojí za to vyskúšať. Pri anténe, ktorú chcete prispôsobiť na celé pásmo a nie iba na jeden kmitočet, je to presne to, čo potrebujete.
Rozmietanie a graf odozvy
Rozsah rozmietania nastavíte v paneli Response a cez Sweep → Generate ho vykreslíte do diagramu. Rozmietať môžete kmitočet alebo hodnotu niektorého z dvanástich prvkov. Krivka sa automaticky prekresľuje pri každej zmene obvodu.
Graf odozvy na hlavnej stránke ukazuje vložný útlm a S21 v rozsahu rozmietania vrátane vplyvu neprispôsobenia. Ak vám farebné oblúky súčiastok začnú pri rozmietaní zavadzať, vypnete ich voľbou Element paths v paneli Overlays.
Vedenia a návrh zosilňovačov
Cez Data → Microstrip and coax prepočítate impedanciu vedenia na šírku a dĺžku mikropásika podľa vlastností substrátu, prípadne na priemer vnútorného vodiča koaxiálneho kábla. Po použití sa návrh prepne na milimetre, ale iba vtedy, ak majú všetky vedenia rovnaký skracovací činiteľ.
Pokročilejší nájdu okno Amp. Design. Ponúka Smithove diagramy zdroja a záťaže s kružnicami stability, zisku a šumu, takže môžete hľadať kompromis medzi ziskom a šumovým číslom. S-parametre tranzistora zadáte ručne alebo načítate zo súboru Touchstone.
Ukladanie, zdieľanie a export
QuickSmith ponúka niekoľko spôsobov, ako o návrh neprísť:
- Save Session uloží jeden návrh v prehliadači,
- Saved Designs uchováva viac pomenovaných návrhov lokálne,
- súbor .sch si uložíte natrvalo do počítača,
- Copy Share Link vytvorí odkaz, ktorý obnoví celý návrh vrátane súčiastok a prekrytí.
Zdieľací odkaz je praktický najmä vtedy, keď chcete návrh poslať kolegovi alebo ho uverejniť vo fóre. Návrhy s načítaným meraním však vytvárajú dlhšie odkazy. Diagram exportujete ako obrázok PNG alebo vektorové SVG vhodné na tlač. Dáta z rozmietania exportujete do CSV s impedanciou, PSV a return loss, prípadne do formátu Touchstone.
Mobil, tablet a spätná väzba
QuickSmith funguje aj na telefóne a tablete. Rozloženie sa prispôsobí obrazovke, všetkých dvanásť slotov zostáva k dispozícii, súčiastky ťaháte prstom a diagram zväčšíte roztiahnutím dvoch prstov. Na úzkych obrazovkách sa schéma presunie pod diagram. Jediné, čo na dotykovom displeji chýba, sú údaje pod kurzorom.
Chyby a nápady môžete poslať cez Help → Send feedback, ktorý otvorí e-mail s vaším obvodom priloženým ako odkaz. Druhou možnosťou je issue tracker na GitHube. Zdrojové kódy nájdete v repozitári QuickSmith-Web. Ide o statické súbory bez prekladu, takže stačí ich stiahnuť a otvoriť index.html priamo v prehliadači.
Kde sa naučiť viac
Ak so Smithovým diagramom len začínate, otvorte Help → Guided examples. Sprievodca vás krok za krokom prevedie hotovými návrhmi. Písané verzie vrátane príkladov zosilňovačov nájdete pod Examples in full. V menu File → Open Design sú pripravené aj dva ukážkové návrhy: ručne prispôsobený dipól a dolnopriepustný filter.
Pre tých, ktorí chcú poznať teóriu za výpočtami, FAQ odporúča túto literatúru:
- knihu Phillipa H. Smitha o Smithovom diagrame,
- HP Application Note 970,
- knihu Guillerma Gonzaleza o mikrovlnných zosilňovačoch,
- články Harolda Kinleyho v QEX.
Vyskúšajte QuickSmith
QuickSmith spája jednoduchosť s funkciami, ktoré by ste od bezplatného webového nástroja nečakali. Začiatočník si na ňom názorne overí, čo robí cievka či kondenzátor s impedanciou. Skúsený konštruktér si do neho načíta meranie z NanoVNA a nechá navrhnúť širokopásmové prispôsobenie. Celý zoznam otázok a odpovedí nájdete na stránke programu. Najlepšie však je jednoducho otvoriť quicksmith.online a pretiahnuť na schému prvú súčiastku.