阻抗匹配 - Mipaper.PDF

阻抗匹配 （Impedancematching）是微波电子学里的一部分，主要用于传输 线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，几乎不会有信号反射 回来源点，从而提升能源效益。 阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuitmatching），另 一种则是调整传输线的波长（transmissionlinematching）。 要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化， 然后把数值划在史密斯图上。 改变阻抗力 把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。重复以上方法 直至电阻值变成 1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。 阻抗匹配：简单的说就是「特性阻抗」等于「负载阻抗」。 调整传输线 由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿着图中心以逆时针方向走 动，直至走到电阻值为 1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完 成匹配。 阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，单它的内阻等于负载时，输出功 率最大，此时阻抗匹配。最大功率传输定理，如果是高频的话，就是无反射波。 对于普通的宽频放大器，输出阻抗50Ω，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配， 可是如果信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就无须考虑阻抗匹 配了。阻抗匹配是指在能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此 时的传输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了.反之则在传输中有能 量损失。高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧 姆。这是个大约的数字,一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线则 为 100欧姆,只是取个整而已,为了匹配方便. 阻抗从字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗 字呢？简单地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；周延一点地说，阻抗就 是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的 作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。电阻 小的物质称作良导体，电阻很大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的 超导体，则是一种电阻值几近于零的东西。但是在交流电的领域中则除了电阻会 阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即 抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。 它们的计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频 率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电 感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电 抗在向量上的和。 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扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相 反。这种匹配条件称为共扼匹配。 史密斯图(Smithchart)是一款用于电机与电子工程学的图表，主要用于传输线 的阻抗匹配上。一条传输线(transmissionline)的阻抗(impedance)会随其物理 长度而改变，要设计一套阻抗匹配(Impedancematching)的电路，需要通过不 少繁复的计算程序，史密斯图的特点便是省却一些计算程序。 该图表是由菲利普 史密斯(PhillipSmith)于 193 年发明的，当时他在美国的 RCA公司工作。史密斯曾说过，「在我能够使用计算尺的时候，我对以图表方 式来表达数学上的关联很有兴趣。」 史密斯图的基本在于以下的算式 当中的Γ代表其线路的反射系数(reflectioncoefficient)，即S-parameter里的 S11，zL是归一负载值，即ZL /Z0。当中， ZL是电路的负载值 Z0是传输线的特性阻抗值，通常会使用50Ω。 图表中的圆形线代表电阻抗力的实数值，即电阻值 ，中间的横线与向上和向下散 出的线则代表电阻抗力的虚数值 ，即由电容或 电感在高频下所产生的阻力，当中 向上的是正数，向下的是负数。图表最中间