阻抗匹配

阻抗匹配

信號傳輸過程中負載阻抗和信源內阻抗之間的特定配合關係。一件器材的輸出阻抗和所連線的負載阻抗之間所應滿足的某種關係,以免接上負載後對器材本身的工作狀態產生明顯的影響。對電子設備互連來說,例如信號源連放大器,前級連後級,只要後一級的輸入阻抗大於前一級的輸出阻抗5-10倍以上,就可認為阻抗匹配良好;對於放大器連線音箱來說,電子管機應選用與其輸出端標稱阻抗相等或接近的音箱,而電晶體放大器則無此限制,可以接任何阻抗的音箱。阻抗匹配,是一種力學學科的一種專有名詞。

基本信息

匹配條件

阻抗匹配阻抗匹配
① 負載阻抗等於信源內阻抗,即它們的模與輻角分別相等,這時在負載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。
②負載阻抗等於信源內阻抗的共軛值,即它們的模相等而輻角之和為零。這時在負載阻抗上可以得到最大功率。這種匹配條件稱為共軛匹配。如果信源內阻抗和負載阻抗均為純阻性,則兩種匹配條件是等同的。
阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態。對於不同特性的電路,匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中,當負載電阻等於激勵源內阻時,則輸出功率為最大,這種工作狀態稱為匹配,否則稱為失配。
當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時,為使負載得到最大功率,負載阻抗與內阻必須滿足共軛關係,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)是微波電子學裡的一部分,主要用於傳輸線上,來達到所有高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的,不會有信號反射回來源點,從而提升能源效益。史密斯圖表上。電容或電感與負載串聯起來,即可增加或減少負載的阻抗值,在圖表上的點會沿著代表實數電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點會以圖中心鏇轉180度,然後才沿電阻圈走動,再沿中心鏇轉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為零完成匹配。

共軛匹配

在信號源給定的情況下,輸出功率取決於負載電阻與信號源內阻之比K,當兩者相等,即K=1時,輸出功率最大。阻抗匹配的概念可以推廣到交流電路,當負載阻抗與信號源阻抗共軛時,能夠實現功率的最大傳輸,如果負載阻抗不滿足共軛匹配的條件,就要在負載和信號源之間加一個阻抗變換網路,將負載阻抗變換為信號源阻抗的共軛,實現阻抗匹配。

匹配分類

大體上,阻抗匹配有兩種,一種是透過改變阻抗力(lumped-circuit matching),另一種則是調整傳輸線的波長(transmission line matching)。
要匹配一組線路,首先把負載點的阻抗值,除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化,然後把數值劃在史密夫圖表上。
1. 改變阻抗力
把電容或電感與負載串聯起來,即可增加或減少負載的阻抗值,在圖表上的點會沿著代表實數電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點會以圖中心鏇轉180度,然後才沿電阻圈走動,再沿中心鏇轉180度。重複以上方法直至電阻值變成1,即可直接把阻抗力變為零完成匹配。
2. 調整傳輸線
由負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整為零,完成匹配。
阻抗匹配則傳輸功率大,對於一個電源來講,當它的內阻等於負載時,輸出功率最大,此時阻抗匹配。最大功率傳輸定理,如果是高頻的話,就是無反射波。對於普通的寬頻放大器,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遠大於電纜長度,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,要求負載阻抗要和傳輸線的特徵阻抗相等,此時的傳輸不會產生反射,這表明所有能量都被負載吸收了。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。這是個大約的數字,一般規定同軸電纜基帶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。

何為阻抗

阻抗從字面上看就與電阻不一樣,其中只有一個阻字是相同的,而另一個抗字呢?簡單地說,阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;周延一點地說,阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質稱作良導體,電阻很大的物質稱作非導體,而最近在高科技領域中稱的超導體,則是一種電阻值幾近於零的東西。但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗,簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關係,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題,具有向量上的關係式,因此才會說:阻抗是電阻與電抗在向量上的和。
高頻電路的阻抗匹配由於高頻功率放大器工作於非線性狀態,所以線性電路和阻抗匹配(即:負載阻抗與電源內阻相等)這一概念不能適用於它。因為在非線性(如:丙類)工作的時候,電子器件的內阻變動劇烈:通流的時候,內阻很小;截止的時候,內阻接近無窮大。因此輸出電阻不是常數。所以所謂匹配的時候內阻等於外阻,也就失去了意義。因此,高頻功率放大的阻抗匹配概念是:在給定的電路條件下,改變負載迴路的可調元件,使電子器件送出額定的輸出功率至負載。這就叫做達到了匹配狀態。

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