Smith Diyagramı

Smith diyagramı (veya Smith abakü), radyo frekansı (RF) mühendisliğinde iletim hatları ve mikrodalga devrelerinin empedans uyumlaması, yansıma katsayısı analizi ve kararlılık hesaplamaları gibi karmaşık matematiksel problemlerin grafiksel yöntemle çözülmesini sağlayan bir araçtır. 1939 yılında Bell Telefon Laboratuvarları mühendisi Phillip H. Smith tarafından geliştirilen bu diyagram, karmaşık (kompleks) sayı düzlemindeki empedans ve admitans değerlerini, yansıma katsayısı düzlemine iz düşürerek görselleştirir. Günümüzde modern devre simülasyon yazılımlarında ve vektör ağ analizörlerinde (VNA) standart veri görüntüleme formatı olarak kullanılmaya devam etmektedir.

Tarihçe

Phillip H. Smith, 1930'larda iletim hatları üzerindeki duran dalga oranlarını ve empedans değişimlerini hesaplamak için gereken tekrarlayan ve zahmetli matematiksel işlemlerden kaçınmak amacıyla bu grafiksel yöntemi geliştirmiştir. Eş zamanlı olarak Japon mühendis T. Mizuhashi de benzer bir grafik geliştirmiş olsa da, Phillip Smith'in tasarımı dünya genelinde standart kabul edilmiştir.

Matematiksel Altyapı ve Formüller

Smith diyagramının temeli, karmaşık empedans (Z) ile karmaşık yansıma katsayısı (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord">Γ</span></span></span></span>) arasındaki matematiksel ilişkiye dayanır. Bir iletim hattında yük empedansı (Z_L) ile karakteristik empedans (Z₀) arasındaki ilişki, yansıma katsayısını belirler.

Normalize Empedans

Diyagramın evrensel olabilmesi için empedans değerleri, sistemin karakteristik empedansına bölünerek normalize edilir (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.04398em;">z</span></span></span></span>).

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.04398em;">z</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1.3337em;vertical-align:-0.4451em;"></span><span class="mord"><span class="mopen nulldelimiter"></span><span class="mfrac"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8886em;"><span style="top:-2.655em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathnormal mtight" style="margin-right:0.07153em;">Z</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3173em;"><span style="top:-2.357em;margin-left:-0.0715em;margin-right:0.0714em;"><span class="pstrut" style="height:2.5em;"></span><span class="sizing reset-size3 size1 mtight"><span class="mord mtight">0</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.143em;"><span></span></span></span></span></span></span></span></span></span><span style="top:-3.23em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="frac-line" style="border-bottom-width:0.04em;"></span></span><span style="top:-3.4103em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathnormal mtight" style="margin-right:0.07153em;">Z</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3448em;"><span style="top:-2.3567em;margin-left:-0.0715em;margin-right:0.0714em;"><span class="pstrut" style="height:2.5em;"></span><span class="sizing reset-size3 size1 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">L</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.1433em;"><span></span></span></span></span></span></span></span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.4451em;"><span></span></span></span></span></span><span class="mclose nulldelimiter"></span></span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6667em;vertical-align:-0.0833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.02778em;">r</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">+</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.854em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05724em;">j</span><span class="mord mathnormal">x</span></span></span></span>

Burada <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.02778em;">r</span></span></span></span> normalize direnç (reel kısım), <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal">x</span></span></span></span> ise normalize reaktans (sanal kısım) değeridir.

Yansıma Katsayısı Dönüşümü

Smith diyagramı, normalize empedans düzleminin (z), yansıma katsayısı düzlemine (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord">Γ</span></span></span></span>) konformal (açı koruyan) dönüşümüdür. Bu ilişki şu formülle ifade edilir:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord">Γ</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1.2484em;vertical-align:-0.4033em;"></span><span class="mord"><span class="mopen nulldelimiter"></span><span class="mfrac"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8451em;"><span style="top:-2.655em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathnormal mtight" style="margin-right:0.04398em;">z</span><span class="mbin mtight">+</span><span class="mord mtight">1</span></span></span></span><span style="top:-3.23em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="frac-line" style="border-bottom-width:0.04em;"></span></span><span style="top:-3.394em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathnormal mtight" style="margin-right:0.04398em;">z</span><span class="mbin mtight">−</span><span class="mord mtight">1</span></span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.4033em;"><span></span></span></span></span></span><span class="mclose nulldelimiter"></span></span></span></span></span>

Tersi işlemle, yansıma katsayısı bilinen bir noktanın empedansı şu şekilde bulunur:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.04398em;">z</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1.2757em;vertical-align:-0.4033em;"></span><span class="mord"><span class="mopen nulldelimiter"></span><span class="mfrac"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8723em;"><span style="top:-2.655em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mtight">1</span><span class="mbin mtight">−</span><span class="mord mtight">Γ</span></span></span></span><span style="top:-3.23em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="frac-line" style="border-bottom-width:0.04em;"></span></span><span style="top:-3.394em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mtight">1</span><span class="mbin mtight">+</span><span class="mord mtight">Γ</span></span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.4033em;"><span></span></span></span></span></span><span class="mclose nulldelimiter"></span></span></span></span></span>

Bu dönüşüm sayesinde, kartezyen koordinatlarda sonsuza uzanan empedans düzlemi (sağ yarı düzlem), birim yarıçaplı (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1.2em;vertical-align:-0.35em;"></span><span class="mord"><span class="delimsizing mult"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.85em;"><span style="top:-2.85em;"><span class="pstrut" style="height:3.2em;"></span><span style="width:0.333em;height:1.200em;"><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="0.333em" height="1.200em" viewBox="0 0 333 1200"><path d="M145 15 v585 v0 v585 c2.667,10,9.667,15,21,15 c10,0,16.667,-5,20,-15 v-585 v0 v-585 c-2.667,-10,-9.667,-15,-21,-15 c-10,0,-16.667,5,-20,15z M188 15 H145 v585 v0 v585 h43z"/></svg></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.35em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mord">Γ</span><span class="mord"><span class="delimsizing mult"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.85em;"><span style="top:-2.85em;"><span class="pstrut" style="height:3.2em;"></span><span style="width:0.333em;height:1.200em;"><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="0.333em" height="1.200em" viewBox="0 0 333 1200"><path d="M145 15 v585 v0 v585 c2.667,10,9.667,15,21,15 c10,0,16.667,-5,20,-15 v-585 v0 v-585 c-2.667,-10,-9.667,-15,-21,-15 c-10,0,-16.667,5,-20,15z M188 15 H145 v585 v0 v585 h43z"/></svg></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.35em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=≤</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6444em;"></span><span class="mord">1</span></span></span></span>) bir dairenin içine sığdırılır.

Yapısı ve Bileşenleri

Smith diyagramı, iki ana eğri ailesinin süperpozisyonundan oluşur:

• Sabit Direnç Daireleri (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.02778em;">r</span></span></span></span>): Karmaşık düzlemde reel kısmı sabit olan noktaların oluşturduğu dairelerdir. Tüm direnç daireleri, diyagramın en sağındaki (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord">Γ</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6444em;"></span><span class="mord">1</span></span></span></span>) açık devre noktasında teğet geçer.
• Sabit Reaktans Yayları (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal">x</span></span></span></span>): Sanal kısmı sabit olan noktaların oluşturduğu yaylardır. Pozitif reaktanslar (indüktif, <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.854em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord">+</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05724em;">j</span><span class="mord mathnormal">x</span></span></span></span>) diyagramın üst yarısında, negatif reaktanslar (kapasitif, <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.854em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord">−</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05724em;">j</span><span class="mord mathnormal">x</span></span></span></span>) ise alt yarısında yer alır.

Kullanım Alanları ve Kritik Noktalar

Smith Abakü üzerinde devre davranışı açısından kritik üç nokta bulunur:

1. Kısa Devre Noktası (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.04398em;">z</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6444em;"></span><span class="mord">0</span></span></span></span>): Diyagramın en solundaki noktadır (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord">Γ</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.7278em;vertical-align:-0.0833em;"></span><span class="mord">−</span><span class="mord">1</span></span></span></span>). Direnç ve reaktans sıfırdır.
2. Açık Devre Noktası (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.04398em;">z</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord">∞</span></span></span></span>): Diyagramın en sağındaki noktadır (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord">Γ</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6444em;"></span><span class="mord">1</span></span></span></span>). Direnç sonsuzdur.
3. Uyumlu Yük Noktası (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.04398em;">z</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6444em;"></span><span class="mord">1</span></span></span></span>): Diyagramın tam merkezidir (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord">Γ</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6444em;"></span><span class="mord">0</span></span></span></span>). Burada yük empedansı, hat empedansına eşittir ve yansıma yoktur.

Bu diyagram, empedans uyumlama (impedance matching) devrelerinin tasarımında, "stub" (yan hat) ekleme işlemlerinde ve VSWR (Gerilim Duran Dalga Oranı) hesaplamalarında temel araç olarak kullanılır.