阻抗匹配技術(shù)

阻抗匹配技術(shù)最早應(yīng)用在電氣工程領(lǐng)域，隨后的發(fā)展使其應(yīng)用不再局限于此，而是廣泛應(yīng)用在涉及能量從源端傳輸?shù)截?fù)載端的領(lǐng)域之中，比如聲學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)。在射頻電路領(lǐng)域，阻抗匹配技術(shù)具有更重要的意義。射頻功率放大器是通信器材中的核心部件，其作用是對(duì)射頻功率信號(hào)進(jìn)行放大。晶體管是射頻功放的核心，是功率電子的重要基礎(chǔ)，其輸入輸出阻抗的值只有幾歐姆，但是通常的射頻系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗是50 Ω。為了獲得更好的功率傳輸性能，晶體管輸入輸出的阻抗值要匹配到標(biāo)準(zhǔn)阻抗50Ω。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的目的是為了解決功率傳輸時(shí)阻抗不匹配的問(wèn)題，可以通過(guò)集總參數(shù)元件(比如電容、電感)或者分布參數(shù)元件(微帶線)來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者主要用于較低頻率，后者主要用于更高的頻率。在阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)中，較為重要的因素是帶寬和匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)。

大體上，阻抗匹配有兩種，一種是通過(guò)改變阻抗力(lumped-circuit matching)，另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)(transmission line matching)。要匹配一組線路，首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來(lái)歸一化，然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。改變阻抗力把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來(lái)，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重復(fù)以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ?。調(diào)整傳輸線由負(fù)載點(diǎn)至來(lái)源點(diǎn)加長(zhǎng)傳輸線，在圖表上的圓點(diǎn)會(huì)沿著圖中心以逆時(shí)針?lè)较蜃邉?dòng)，直至走到電阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零，完成匹配。阻抗匹配則傳輸功率大，對(duì)于一個(gè)直流電源來(lái)講，阻抗匹配時(shí)輸出效率只有50%。并且電源以對(duì)外輸出最大功率為目標(biāo)，不適用阻抗匹配的條件。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無(wú)反射波。對(duì)于普通的寬頻放大器，輸出阻抗50Ω，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是如果信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長(zhǎng)度，即纜長(zhǎng)可以忽略的話，就無(wú)須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí)，要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負(fù)載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時(shí)，為了防止信號(hào)的反射，要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個(gè)大約的數(shù)字，一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆,對(duì)絞線則為 100歐姆,只是取個(gè)整而已，為了匹配方便。

在阻抗匹配的設(shè)計(jì)方法中，思路最簡(jiǎn)單的就是解析法，通過(guò)建立阻抗變換的關(guān)系式，最終求解所需要的電容和電感。其缺點(diǎn)是計(jì)算量較大，當(dāng)匹配元件增多時(shí)，需要計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算。使用諧振法設(shè)計(jì)阻抗匹配電路時(shí)，將輸入阻抗(呈電感性)由串聯(lián)電路的形式轉(zhuǎn)換為并聯(lián)的形式，然后并聯(lián)一個(gè)電容性的元件和等效的并聯(lián)電感產(chǎn)生諧振，接著交替用串聯(lián)電感和并聯(lián)電容形成低通濾波結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種方式，輸入阻抗的實(shí)部逐步提高，直至變換到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)阻抗。在高頻情況下，集總電感元件的寄生效應(yīng)突出，分布參數(shù)不穩(wěn)定，較少被使用。此時(shí)微帶線以其特有的分布參數(shù)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在射頻電路的設(shè)計(jì)中。根據(jù)微帶線的特性阻抗和電長(zhǎng)度可計(jì)算出實(shí)際微帶線的長(zhǎng)度和寬度。

電磁波傳輸電路必須考慮其阻抗匹配問(wèn)題，只有實(shí)現(xiàn)了輸出阻抗與負(fù)載阻抗“完美”的匹配，才能實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)的無(wú)反射傳輸，實(shí)現(xiàn)最大功率化利用。如果電磁波傳輸電路中出現(xiàn)不匹配就會(huì)引起嚴(yán)重的反射，這樣傳輸線上將形成駐波，大量的功率浪費(fèi)在反射功率上，同時(shí)因反射功率過(guò)大將造成元器件的損壞，使得發(fā)射機(jī)故障率上升，也使得能量利用率降低，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，發(fā)射機(jī)無(wú)法正常工作。

在進(jìn)行有源電路設(shè)計(jì)時(shí)，如果不去考慮阻抗匹配而是直接把信號(hào)源與后級(jí)負(fù)載電路相連接，不僅會(huì)使負(fù)載端得不到最大功率輸出，而且還會(huì)引起 一些諸如干擾、反射等復(fù)雜的電路問(wèn)題。特別是在高頻和微波電路中阻抗不匹配所帶來(lái)的問(wèn)題尤為明顯，經(jīng)電路傳輸?shù)哪芰繒?huì)反射回來(lái)產(chǎn)生駐波，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起饋線的絕緣層及發(fā)射機(jī)末級(jí)功放管的損壞。因此，需要在電源端與負(fù)載端之間設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，把負(fù)載端的阻抗轉(zhuǎn)換成與電源端阻抗相匹配的阻抗形式。電源與負(fù)載的阻抗達(dá)到匹配，這種情況下不僅可以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，而且能夠起到減小通帶內(nèi)頻率信號(hào)的相位失真。