阻抗匹配(impedance matching) 主要用于傳輸線上，以此來達(dá)到所有高頻的微波信號均能傳遞至負(fù)載點的目的，而且?guī)缀醪粫行盘柗瓷浠貋碓袋c，從而提升能源效益。信號源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配。
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，其作用是對射頻功率信號進(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阻抗不匹配的問題，可以通過集總參數(shù)元件(比如電容、電感)或者分布參數(shù)元件(微帶線)來實現(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)計中，較為重要的因素是帶寬和匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)。 [1]
阻抗匹配的通常做法是在源和負(fù)載之間插入一個無源網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載阻抗與源阻抗共軛匹配，該網(wǎng)絡(luò)也被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)。阻抗匹配的主要作用通常有以下幾點：從源到器件、從器件到負(fù)載或器件之間功率傳輸最大;提高接收機(jī)靈敏度(如LNA前級匹配);減小功率分配網(wǎng)絡(luò)幅相不平衡度;獲得放大器理想的增益、輸出功率(PA輸出匹配)、效率和動態(tài)范圍;減小饋線中的功率損耗。
輸入端阻抗匹配時，傳輸線獲得最大功率;在輸出端阻抗匹配的情況下，傳輸線上只有向終端行進(jìn)的電壓波和電流波，攜帶的能量全部為負(fù)載所吸收。
匹配條件
①負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時在負(fù)載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。
②負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時在負(fù)載阻抗上可以得到最大功率。這種匹配條件稱為共軛匹配。如果信源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。
阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(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)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，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。
當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共軛關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共軛匹配。
阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來達(dá)到所有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點的目的，不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。史密夫圖表上。電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數(shù)電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/p>
實現(xiàn)匹配
大體上，阻抗匹配有兩種，一種是通過改變阻抗力(lumped-circuit matching)，另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(transmission line matching)。
要匹配一組線路，首先把負(fù)載點的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化，然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。
1. 改變阻抗力
把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數(shù)電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，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)榱阃瓿善ヅ洹?/p>
2. 調(diào)整傳輸線
由負(fù)載點至來源點加長傳輸線，在圖表上的圓點會沿著圖中心以逆時針方向走動，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，對于一個直流電源來講，阻抗匹配時輸出效率只有50%。并且電源以對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，就是無反射波。對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，可是如果信號波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長度，即纜長可以忽略的話，就無須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時的傳輸不會產(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，為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個大約的數(shù)字，一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆,對絞線則為 100歐姆,只是取個整而已，為了匹配方便。
阻抗匹配電路評價標(biāo)準(zhǔn)
在評價阻抗匹配電路的優(yōu)劣時，會使用到如下參數(shù)指標(biāo)：回波損耗、失配因子、失配損耗、品質(zhì)因數(shù)和帶寬?；夭〒p耗又稱為反射損耗，單位為dB，反映了由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的功率反射的量，可表示為：
其中：
為由于阻抗不匹配造成的反射功率;
為信號源輸送給匹配網(wǎng)絡(luò)的入射功率，與負(fù)載阻抗無關(guān)。此外，射頻問題經(jīng)常會運(yùn)用微波網(wǎng)絡(luò)的觀點進(jìn)行分析，回波損耗也可以用一端口的反射系數(shù)表示，當(dāng)回波損耗的值低于-10dB時，表示入射功率有90%被負(fù)載網(wǎng)絡(luò)所吸收，可以認(rèn)為達(dá)到了匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo)。失配因子和失配損耗是衡量阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)失配程度的物理量，失配因子為負(fù)載吸收的功率與入射功率的比值;失配損耗為失配因子的對數(shù)形式。如果負(fù)載吸收的功率是入射功率的90%，那么失配因子為0.9，失配損耗為0.45dB。在設(shè)計阻抗匹配電路時，經(jīng)常會使用到品質(zhì)因數(shù)的概念。對并聯(lián)電路來說，品質(zhì)因數(shù)可以表示為Q=BP/GP，其中，BP為并聯(lián)電路中的電納，GP為并聯(lián)電路中的電導(dǎo)。對串聯(lián)電路來說，品質(zhì)因數(shù)可表示為Q=XS/RS，其中，XS為串聯(lián)電路中的電抗，RS為串聯(lián)電路中的電阻。品質(zhì)因數(shù)對阻抗匹配電路具有重要意義，因為品質(zhì)因數(shù)和帶寬BW之間具有下列關(guān)系：BW=W/Q。表明：當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q很高時，BW會很小，此時適合設(shè)計窄帶的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。如果要設(shè)計寬帶的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，必須保證阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)較低。
阻抗匹配電路設(shè)計
在阻抗匹配的設(shè)計方法中，思路最簡單的就是解析法，通過建立阻抗變換的關(guān)系式，最終求解所需要的電容和電感。其缺點是計算量較大，當(dāng)匹配元件增多時，需要計算機(jī)輔助計算。
使用諧振法設(shè)計阻抗匹配電路時，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)。通過這種方式，輸入阻抗的實部逐步提高，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。此時微帶線以其特有的分布參數(shù)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的特點，廣泛地應(yīng)用在射頻電路的設(shè)計中。根據(jù)微帶線的特性阻抗和電長度可計算出實際微帶線的長度和寬度。 [1]
應(yīng)用
中壓配電網(wǎng)阻抗匹配
中壓配網(wǎng)電力載波通信技術(shù)是利用中壓配電線路作為通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，該技術(shù)不需專 設(shè)通信信道，運(yùn)行費用和維護(hù)成本相對較低，擁有得天獨厚的優(yōu)勢，其在配電自動化中的巨大作用也備受關(guān)注。 然而由于中壓配電網(wǎng)電力線信道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷時變，使得信道的輸入阻抗呈現(xiàn)較大的差異，在通信過程中引起嚴(yán)重的阻抗失配問題，從而嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。 因此改善通信質(zhì)量的方法就是中壓配電網(wǎng)阻抗匹配，現(xiàn)有的單節(jié)點電力線阻抗匹配方法分為兩類，一類是基于智能算法求取阻抗匹配參數(shù)，一類是通過設(shè)計耦合電路實現(xiàn)阻抗匹配。其中，基于智能優(yōu)化的算法能獲得較好匹配，并且有較高的可靠性，但是建模復(fù)雜，迭代時間長，需要專門的數(shù)字處理器，優(yōu)化結(jié)果對初值依賴性較強(qiáng)，容易陷入局部最優(yōu)。 而設(shè)計耦合電路法實際應(yīng)用較多，主要通 過改變匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)值來進(jìn)行阻抗匹配，但匹配精度稍差，適用范圍存在一定局限性。 [3]
聲表濾波器的阻抗匹配
隨著移動通信的快速發(fā)展，聲表濾波器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，由于系統(tǒng)應(yīng)用的深入，對聲表濾波器的性能也提出了更高的要求。然而，在實際的射頻電路應(yīng)用中，出于性能運(yùn)用的考慮，設(shè)計者通常將聲表濾波器設(shè)計成不同的形式，將聲表濾波器看作是一個網(wǎng)絡(luò)，其對應(yīng)的輸入、輸出就是兩個端口，在實際電路中，聲表濾波器需要與外部電路進(jìn)行阻抗匹配，從而達(dá)到電路期望的性能。
怎樣理解阻抗匹配
阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。
我們先從直流電壓源驅(qū)動一個負(fù)載入手。由于實際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動勢為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計算出流過電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負(fù)載電阻R越小，則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為：Uo=IR=U*[1+(r/R)]，可以看出，負(fù)載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來計算一下電阻R消耗的功率為：
P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)
=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r]
=U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}
對于一個給定的信號源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，當(dāng)R=r時，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，這時負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。對于純電阻電路，此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時，結(jié)論有所改變，就是需要信號源與負(fù)載阻抗的的實部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共厄匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負(fù)載之間的情況，因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮(可以這么理解：因為線短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的)。從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R;如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R;如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來的性能，這時我們也會叫做阻抗失配。
在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不匹配(相等)時，在負(fù)載端就會產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關(guān)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75歐，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50歐的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300歐的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。
因為電視機(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75歐，所以300歐的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢?不知道大家有沒有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個300歐到75歐的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個塑料包裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大的)?它里面其實就是一個傳輸線變壓器，將300歐的阻抗，變換成75歐的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關(guān)，也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢?如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率;會在傳輸線上形成駐波(簡單的理解，就是有些地方信號強(qiáng)，有些地方信號弱)，導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低;功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號線與負(fù)載阻抗不匹配時，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。
當(dāng)阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢?第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說的電視機(jī)中的那個例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。
為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會受不了了——這就是負(fù)載過重的情況，會產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會撲空，手也可能會受不了——這就是負(fù)載過輕的情況。另一個例子，不知道大家有沒有過這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時上/下樓梯，當(dāng)你以為還有樓梯時，就會出現(xiàn)“負(fù)載不匹配”這樣的感覺了。當(dāng)然，也許這樣的例子不太恰當(dāng)，但我們可以拿它來理解負(fù)載不匹配時的反射情況。
總結(jié)
電磁波傳輸電路必須考慮其阻抗匹配問題，只有實現(xiàn)了輸出阻抗與負(fù)載阻抗“完美”的匹配，才能實現(xiàn)電磁波信號的無反射傳輸，實現(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，大量的功率浪費在反射功率上，同時因反射功率過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)重時無法實現(xiàn)調(diào)諧，發(fā)射機(jī)無法正常工作。 [4]
在進(jìn)行有源電路設(shè)計時，如果不去考慮阻抗匹配而是直接把信號源與后級負(fù)載電路相連接，不僅會使負(fù)載端得不到最大功率輸出，而且還會引起 一些諸如干擾、反射等復(fù)雜的電路問題。特別是在高頻和微波電路中阻抗不匹配所帶來的問題尤為明顯，經(jīng)電路傳輸?shù)哪芰繒瓷浠貋懋a(chǎn)生駐波，嚴(yán)重時會引起饋線的絕緣層及發(fā)射機(jī)末級功放管的損壞。因此，需要在電源端與負(fù)載端之間設(shè)計一個阻抗匹配網(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現(xiàn)最大功率傳輸，而且能夠起到減小通帶內(nèi)頻率信號的相位失真。
在擁有功能強(qiáng)大的軟件和高速、高性能計算機(jī)的今天，人們會懷疑在解決電路基本問題的時候是否還需要這樣一種基礎(chǔ)和初級的方法。
實際上，一個真正的工程師不僅應(yīng)該擁有理論知識，更應(yīng)該具有利用各種資源解決問題的能力。在程序中加入幾個數(shù)字然后得出結(jié)果的確是件容易的事情，當(dāng)問題的解十分復(fù)雜、并且不唯一時，讓計算機(jī)作這樣的工作尤其方便。然而，如果能夠理解計算機(jī)的工作平臺所使用的基本理論和原理，知道它們的由來，這樣的工程師或設(shè)計者就能夠成為更加全面和值得信賴的專家，得到的結(jié)果也更加可靠。
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