浅谈一下低频高频时阻抗匹配的重要知识

什么是阻抗？

具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简单相加。如果三者是串联的，又知道交流电的频率f、电阻R、电感L和电容C，那么串联电路的阻抗Z= R+i( ωL–1/（ωC）)，其中R为电阻，ωL为感抗，1/（ωC）为容抗。单位是欧。对于一个具体电路，阻抗不是不变的，而是随着频率变化而变化。电感和电容并联电路中，谐振的时候阻抗增加到最大值，这和串联电路相反。

图1 复数表示方法

什么是阻抗匹配？

阻抗匹配在高频设计中是常用的概念，阻抗匹配（Impedance matching）主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号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。大体上，阻抗匹配的方法有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuit matching），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching)。

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

此时达到阻抗匹配状态。

为什么要阻抗匹配

阻抗匹配的作用是调整负载功率和抑制信号反射。

● 调整负载功率

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。

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功率取得最大值，Pmax=U*U/(4*r)。

需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。上面提到低频信号负载电阻=电源内阻时，负载输出最大功率。

● 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。

负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这是传输线的阻抗匹配，如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。

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。那么在高频信号我们常常会考虑阻抗匹配的问题，阻抗不相同，会有信号反射回来源点而形成驻波。

发端输入阻抗=收端输出阻抗，1.传输线和信号源阻抗匹配 , 2.传输线和负载阻抗匹配，

输入阻抗输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。

输出阻抗无论信号源或放大器还有电源，都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r，就是（信号源/放大器输出/电源）内阻了。当这个电压源给负载供电时，就会有电流 I 从这个负载上流过，并在这个电阻上产生 I×r 的电压降。

怎么去阻抗匹配

在高频中高于300M时，传输线上面寄生的电容、电感，它不是直流电阻，F=u/λ 在信号源给定的情况下，当负载阻抗与信号源阻抗共轭时，能够实现功率的最大传输，如果负载阻抗不满足共轭匹配的条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络，将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭，实现阻抗匹配。

第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换，就像所说的电视机中的那个例子那样.

第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用.

第三，可以考虑使用串联/并联电阻的办法.

实际中是如何解决这个问题的呢？不知道大家有没有留意到，电视机的附件中，有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器（一个塑料封装的，一端有一个圆形的插头的那个，大概有两个大拇指那么大）。它里面其实就是一个传输线变压器，将300Ω的阻抗，变换成75Ω的，这样就可以匹配起来了。

在普通的宽频带放大器中，因为输出阻抗为50Ω，所以需要考虑在功率传输电路中进行阻抗匹配。但是，实际上当电缆的长度对于信号的波长来说可以忽略不计时，就无需阻抗匹配的。

考虑信号频率为1MHz，其波长在空气中为300m，在同轴电缆中约为200m。在通常使用的长度为1m左右的同轴电缆中，是在完全可忽略的范围之内。

为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里不细说了，有兴趣的可参看电磁场与电磁波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。

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