阻抗匹配技术

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。射频功率放大器是通信器材中的核心部件，其作用是对射频功率信号进行放大。晶体管是射频功放的核心，是功率电子的重要基础，其输入输出阻抗的值只有几欧姆，但是通常的射频系统的标准阻抗是50 Ω。为了获得更好的功率传输性能，晶体管输入输出的阻抗值要匹配到标准阻抗50Ω。阻抗匹配网络的目的是为了解决功率传输时阻抗不匹配的问题，可以通过集总参数元件(比如电容、电感)或者分布参数元件(微带线)来实现，前者主要用于较低频率，后者主要用于更高的频率。在阻抗匹配电路的设计中，较为重要的因素是带宽和匹配网络的品质。

大体上，阻抗匹配有两种，一种是通过改变阻抗力(lumped-circuit matching)，另一种则是调整传输线的波长(transmission line matching)。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夫图表上。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，在图表上的点会沿著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。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著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，对于一个直流电源来讲，阻抗匹配时输出效率只有50%。并且电源以对外输出最大功率为目标，不适用阻抗匹配的条件。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。

在阻抗匹配的设计方法中，思路最简单的就是解析法，通过建立阻抗变换的关系式，最终求解所需要的电容和电感。其缺点是计算量较大，当匹配元件增多时，需要计算机辅助计算。使用谐振法设计阻抗匹配电路时，将输入阻抗(呈电感性)由串联电路的形式转换为并联的形式，然后并联一个电容性的元件和等效的并联电感产生谐振，接着交替用串联电感和并联电容形成低通滤波结构。通过这种方式，输入阻抗的实部逐步提高，直至变换到系统标准阻抗。在高频情况下，集总电感元件的寄生效应突出，分布参数不稳定，较少被使用。此时微带线以其特有的分布参数稳定、结构简单的特点，广泛地应用在射频电路的设计中。根据微带线的特性阻抗和电长度可计算出实际微带线的长度和宽度。

电磁波传输电路必须考虑其阻抗匹配问题，只有实现了输出阻抗与负载阻抗“完美”的匹配，才能实现电磁波信号的无反射传输，实现最大功率化利用。如果电磁波传输电路中出现不匹配就会引起严重的反射，这样传输线上将形成驻波，大量的功率浪费在反射功率上，同时因反射功率过大将造成元器件的损坏，使得发射机故障率上升，也使得能量利用率降低，严重时无法实现调谐，发射机无法正常工作。

在进行有源电路设计时，如果不去考虑阻抗匹配而是直接把信号源与后级负载电路相连接，不仅会使负载端得不到最大功率输出，而且还会引起 一些诸如干扰、反射等复杂的电路问题。特别是在高频和微波电路中阻抗不匹配所带来的问题尤为明显，经电路传输的能量会反射回来产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层及发射机末级功放管的损坏。因此，需要在电源端与负载端之间设计一个阻抗匹配网络，把负载端的阻抗转换成与电源端阻抗相匹配的阻抗形式。电源与负载的阻抗达到匹配，这种情况下不仅可以实现最大功率传输，而且能够起到减小通带内频率信号的相位失真。