阻抗匹配技术最早应用在电气工程领域,随后的发展使其应用不再局限于此,而是广泛应用在涉及能量从源端传输到负载端的领域之中,比如声学系统、光学系统以及机械系统。在射频电路领域,阻抗匹配技术具有更重要的意义。

1.阻抗匹配是什么意思

 

信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态,简称为阻抗匹配。

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满足共轭关系,即电阻成份相等,电抗成份绝对值相等而符号相反。这种匹配条件称为共轭匹配。

阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分,主要用于传输线上,来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。史密夫图表上。电容或电感与负载串联起来,即可增加或减少负载的阻抗值,在图表上的点会沿着代表实数电阻的圆圈走动。如果把电容或电感接地,首先图表上的点会以图中心旋转180度,然后才沿电阻圈走动,再沿中心旋转180度。重覆以上方法直至电阻值变成1,即可直接把阻抗力变为零完成匹配。

(图片来源于互联网)

 

2.阻抗匹配原理

 

1、纯电阻电路

在中学物理电学中曾讲述这样一个问题:把一个电阻为R的用电器,接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上。当外电阻等于内电阻时,电源对外电路输出的功率最大,这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路,同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。

2、电抗电路

电抗电路要比纯电阻电路复杂,电路中除了电阻外还有电容和电感。元件,并工作于低频或高频交流电路。在交流电路中,电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗,用字母Z表示。其中,电容和电感对交流电的阻碍作用,分别称为容抗及和感抗而。

容抗和感抗的值除了与电容和电感本身大小有关之外,还与所工作的交流电的频率有关。值得注意的是,在电抗电路中,电阻R,感抗而与容抗双的值不能用简单的算术相加,而常用阻抗三角形法来计算。

因而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些,除了输人和输出电路中的电阻成分要求相等外,还要求电抗成分大小相等符号相反(共轭匹配);或者电阻成分和电抗成分均分别相等(无反射匹配)。

阻抗匹配是使微波电路或是系统的反射,载行波尽量接近行波状态的技术措施。阻抗匹配分为两大类:

(1)负载与传输线之间的阻抗匹配,使负载无反射。方法是接入匹配装置使输入阻抗和特性阻抗相等。

(2)信号源与传输线之间匹配,分为两种情况:1)使信号源无反射,方法是接入信号源与传输线之间接人匹配装置。2)信号源共轭匹配,方法是信号源与被匹配电路之间接入匹配装置,这种情况下多属于有源电路设计。

(图片来源于互联网)

 

3.阻抗匹配的作用

 

1、调整负载功率

假定激励源已定,那么负载的功率由两者的阻抗匹配度决定。对于一个理想化的纯电阻电路或者低频电路,由电感、电容引起的电抗值基本可以忽略,此时电路的阻抗来源主要为电阻。如图2所示,电路中电流I=U/(r+R),负载功率P=I*I*R。由以上两个方程可得当R=r时P取得最大值,Pmax=U*U/(4*r)。

2、抑制信号反射

当一束光从空气射向水中时会发生反射,这是因为光和水的光导特性不同。同样,当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。波长与频率成反比,低频信号的波长远远大于传输线的长度,因此一般不用考虑反射问题。高频领域,当信号的波长与传输线长出于相同量级时反射的信号易与原信号混叠,影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射。

(图片来源于互联网)