阻抗變換和阻抗匹配的理解

阻抗匹配是無線電技術(shù)中常見的一種工作狀態(tài)，它反映了輸入電路與輸出電路之間的功率傳輸關(guān)系.當(dāng)電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配時(shí)，將獲得最大的功率傳輸.反之，當(dāng)電路阻抗失配時(shí)，不但得不到最大的功率傳輸，還可能對電路產(chǎn)生損害.

阻抗匹配常見于各級放大電路之間、放大器與負(fù)載之間、測量儀器與被測電路之間、天線與接收機(jī)或發(fā)信機(jī)與天線之間，等等.例如，擴(kuò)音機(jī)的輸出電路與揚(yáng)聲器之間必須做到阻抗匹配，不匹配時(shí)，擴(kuò)音機(jī)的輸出功率將不能全部送至揚(yáng)聲器.如果揚(yáng)聲器的阻抗遠(yuǎn)小于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗，擴(kuò)音機(jī)就處于過載狀態(tài)，其末級功率放大管很容易損壞.反之，如果揚(yáng)聲器的阻抗高于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗過多，會(huì)引起輸出電壓升高，同樣不利于擴(kuò)，音機(jī)的工作，聲音還會(huì)產(chǎn)生失真.因此擴(kuò)音機(jī)電路的輸出阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗越接近越好.

又例如，無線電發(fā)信機(jī)的輸出阻抗與饋線的阻抗、饋線與天線的阻抗也應(yīng)達(dá)到一致.如果阻抗值不一致，發(fā)信機(jī)輸出的高頻能量將不能全部由天線發(fā)射出去.這部分沒有發(fā)射出去的能量會(huì)反射回來，產(chǎn)生駐波，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起饋線的絕緣層及發(fā)信機(jī)末級功放管的損壞.為了使信號和能量有效地傳輸，必須使電路工作在阻抗匹配狀態(tài)，即信號源或功率源的內(nèi)阻等于電路的輸人阻抗，電路的輸出阻抗等于負(fù)載的阻抗.

在一般的輸入、輸出電路中常含有電阻、電容和電感元件，由它們所組成的電路稱為電抗電路，其中只含有電阻的電路稱為純電阻電路.下面對純電阻電路和電抗電路的阻抗匹配問題分別進(jìn)行簡要的分.

1.純電阻電路

在中學(xué)物理電學(xué)中曾講述這樣一個(gè)問題：把一個(gè)電阻為R的用電器，接在一個(gè)電動(dòng)勢為E、內(nèi)阻為r的電池組上(見圖1)，在什么條件下電源輸出的功率最大呢?當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時(shí)，電源對外電路輸出的功率最大，這就是純電阻電路的功率匹配.假如換成交流電路，同樣也必須滿足R=r這個(gè)條件電路才能匹配.

2.電抗電路

電抗電路要比純電阻電路復(fù)雜，電路中除了電阻外還有電容和電感.元件，并工作于低頻或高頻交流電路.

在交流電路中，電阻、電容和電感對交流電的阻礙作用叫阻抗，用字母Z表示.其中，電容和電感對交流電的阻礙作用，分別稱為容抗及和感抗而.容抗和感抗的值除了與電容和電感本身大小有關(guān)之外，還與所工作的交流電的頻率有關(guān).

值得注意的是，在電抗電路中，電阻R，感抗而與容抗雙的值不能用簡單的算術(shù)相加，而常用阻抗三角形法來計(jì)算(見圖 2).因而電抗電路要做到匹配比純電阻電路要復(fù)雜一些，除了輸入和輸出電路中的電阻成分要求相等外，還要求電抗成分大小相等符號相反(共軛匹配);或者電阻成分和電抗成分均分別相等(無反射匹配).這里指的電抗X即感抗XL和容抗XC之差(僅指串聯(lián)電路來講，若并聯(lián)電路則計(jì)算更為復(fù)雜).

滿足上述條件即稱為阻抗匹配，負(fù)載即能得到最大的功率.阻抗匹配的關(guān)鍵是前級的輸出阻抗與后級的輸入阻抗相等.而輸入阻抗與輸出阻抗廣泛存在于各級電子電路、各類測量儀器及各種電子元器件中.那么什么是輸入阻抗和輸出阻抗呢?

輸入阻抗是指電路對著信號源講的阻抗.如圖3所示的放大器，它的輸入阻抗就是去掉信號源E及內(nèi)電阻r時(shí)，從AB兩端看進(jìn)去的等效阻抗.其值為Z=UI/I1，即輸入電壓與輸入電流之比.對于信號源來講，放大器成為其負(fù)載.從數(shù)值上看，放大器的等效負(fù)載值即為輸入阻抗值.輸入阻抗值的大小，對于不同的電路要求不一樣.

例如：萬用表中電壓擋的輸入阻抗(稱為電壓靈敏度)越高，對被測電路的分流就越小，測量誤差也就小.而電流擋的輸入阻抗越低，對被測電路的分壓就越小，因而測量誤差也越小.

對于功率放大器，當(dāng)信號源的輸出阻抗與放大電路的輸入阻抗相等時(shí)即稱阻抗匹配，這時(shí)放大電路就能在輸出端獲得最大功率.輸出阻抗是指電路對著負(fù)載講的阻抗.如圖4中，將電路輸入端的電源短路，輸出端去掉負(fù)載后，從輸出端CD看進(jìn)去的等效阻抗稱為輸出阻抗.如果負(fù)載阻抗與輸出阻抗不相等，稱阻抗不匹配，負(fù)載就不能獲得最大的功率輸出.輸出電壓U2和輸出電流I2之比即稱為輸出阻抗.

輸出阻抗的大小視不同的電路有不同的要求.例如：電壓源要求輸出阻抗要低，而電流源的輸出阻抗要高.對于放大電路來講，輸出阻抗的值表示其承擔(dān)負(fù)載的能力.通常輸出阻抗小，承擔(dān)負(fù)載的能力就強(qiáng).
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如果輸出阻抗與負(fù)載不能匹配時(shí)，可加接變壓器或網(wǎng)絡(luò)電路來達(dá)到匹配.例如：晶體管放大器與揚(yáng)聲器之間通常接有輸出變壓器，放大器的輸出阻抗與變壓器的初級阻抗相匹配，變壓器的次級阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗相匹配.而變壓器通過初次級繞組的匝數(shù)比來變換阻抗比.

在實(shí)際的電子電路中，常會(huì)遇到信號源與放大電路或放大電路與負(fù)載的阻抗不相等的情況，因而不能把它們直接相連.解決的辦法是在它們之間加入一個(gè)匹配電路或匹配網(wǎng)絡(luò).

最后要說明一點(diǎn)，阻抗匹配僅適用于電子電路.因?yàn)殡娮与娐分袀鬏數(shù)男盘柟β时旧磔^弱，需用匹配來提高輸出功率.而在電工電路中一般不考慮匹配，否則會(huì)導(dǎo)致輸出電流過大，損壞用電器.

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阻抗匹配概念

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。

在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。

從電磁波的原理上看，電波只有在相同的介質(zhì)中傳播沒有反射，當(dāng)經(jīng)過介質(zhì)的邊界時(shí)電磁波會(huì)發(fā)生部分反射現(xiàn)象，兩邊介質(zhì)的介電常數(shù)差距越大反射就會(huì)越大，反射會(huì)造成很多電路問題：損耗、噪聲、功率返回?zé)龤骷鹊取?br />
說回來，不同的介質(zhì)就意味著阻抗不同，電路里傳導(dǎo)的電磁波就會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象，所以阻抗匹配就阻抗相等，就是讓兩邊沒有電磁波的反射。

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阻抗匹配是為了保證能量傳輸損耗最小，匹配就是上一級電路的內(nèi)電阻要等于下一級電路的輸入電阻。可以分為低頻和高頻兩種情況理解。

1。低頻

低頻領(lǐng)域可以用電工原理的理論，我們知道現(xiàn)實(shí)世界是不存在理想電源的，電源都有內(nèi)電阻，在能量傳輸過程中，內(nèi)阻本身也要消耗能量，這就是全電路歐姆定律闡明的原理：電源電動(dòng)勢E=I*(R+r),其中I是電流，R是負(fù)載電阻，r是電源內(nèi)阻，而功率P=U*I,=I*I*R,通過計(jì)算就可以得出只有R=r時(shí)，負(fù)載獲得的功率最大，這就是電子電路設(shè)計(jì)要求阻抗匹配的原因。

2。高頻

在高頻領(lǐng)域，以上的原理照樣適用，只是阻抗的計(jì)算比較復(fù)雜，高頻的性質(zhì)是電磁波，它具有波的特性，要用電磁波傳輸理論來設(shè)計(jì)電路。在傳輸過程中要盡量減少信號反射，就要考慮傳輸介質(zhì)的材料特性、機(jī)械形狀、尺寸等一系列參數(shù)，阻抗值實(shí)際是“波阻抗”，是一種等效阻抗。如75歐高頻電纜與50歐高頻電纜的機(jī)械尺寸不同，波阻抗就不同，用萬用表是無法測量的。