阻抗匹配技術(shù)最早應(yīng)用在電氣工程領(lǐng)域,隨后的發(fā)展使其應(yīng)用不再局限于此,而是廣泛應(yīng)用在涉及能量從源端傳輸?shù)截?fù)載端的領(lǐng)域之中,比如聲學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及機械系統(tǒng)。在射頻電路領(lǐng)域,阻抗匹配技術(shù)具有更重要的意義。射頻功率放大器是通信器材中的核心部件,其作用是對射頻功率信號進行放大。晶體管是射頻功放的核心,是功率電子的重要基礎(chǔ),其輸入輸出阻抗的值只有幾歐姆,但是通常的射頻系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗是50 Ω。為了獲得更好的功率傳輸性能,晶體管輸入輸出的阻抗值要匹配到標(biāo)準(zhǔn)阻抗50Ω。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的目的是為了解決功率傳輸時阻抗不匹配的問題,可以通過集總參數(shù)元件(比如電容、電感)或者分布參數(shù)元件(微帶線)來實現(xiàn),前者主要用于較低頻率,后者主要用于更高的頻率。在阻抗匹配電路的設(shè)計中,較為重要的因素是帶寬和匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)。
大體上,阻抗匹配有兩種,一種是通過改變阻抗力(lumped-circuit matching),另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(transmission line matching)。要匹配一組線路,首先把負(fù)載點的阻抗值,除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化,然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。改變阻抗力把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來,即可增加或減少負(fù)載的阻抗值,在圖表上的點會沿著代表實數(shù)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旋轉(zhuǎn)180度,然后才沿電阻圈走動,再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重復(fù)以上方法直至電阻值變成1,即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ?。調(diào)整傳輸線由負(fù)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(diào)整為零,完成匹配。阻抗匹配則傳輸功率大,對于一個直流電源來講,阻抗匹配時輸出效率只有50%。并且電源以對外輸出最大功率為目標(biāo),不適用阻抗匹配的條件。最大功率傳輸定理,如果是高頻的話,就是無反射波。對于普通的寬頻放大器,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(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長度,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(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時的傳輸不會產(chǎn)生反射,這表明所有能量都被負(fù)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(shù)字,一般規(guī)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。
在阻抗匹配的設(shè)計方法中,思路最簡單的就是解析法,通過建立阻抗變換的關(guān)系式,最終求解所需要的電容和電感。其缺點是計算量較大,當(dāng)匹配元件增多時,需要計算機輔助計算。使用諧振法設(shè)計阻抗匹配電路時,將輸入阻抗(呈電感性)由串聯(lián)電路的形式轉(zhuǎn)換為并聯(lián)的形式,然后并聯(lián)一個電容性的元件和等效的并聯(lián)電感產(chǎn)生諧振,接著交替用串聯(lián)電感和并聯(lián)電容形成低通濾波結(jié)構(gòu)。通過這種方式,輸入阻抗的實部逐步提高,直至變換到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)阻抗。在高頻情況下,集總電感元件的寄生效應(yīng)突出,分布參數(shù)不穩(wěn)定,較少被使用。此時微帶線以其特有的分布參數(shù)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的特點,廣泛地應(yīng)用在射頻電路的設(shè)計中。根據(jù)微帶線的特性阻抗和電長度可計算出實際微帶線的長度和寬度。
電磁波傳輸電路必須考慮其阻抗匹配問題,只有實現(xiàn)了輸出阻抗與負(fù)載阻抗“完美”的匹配,才能實現(xiàn)電磁波信號的無反射傳輸,實現(xiàn)最大功率化利用。如果電磁波傳輸電路中出現(xiàn)不匹配就會引起嚴(yán)重的反射,這樣傳輸線上將形成駐波,大量的功率浪費在反射功率上,同時因反射功率過大將造成元器件的損壞,使得發(fā)射機故障率上升,也使得能量利用率降低,嚴(yán)重時無法實現(xiàn)調(diào)諧,發(fā)射機無法正常工作。
在進行有源電路設(shè)計時,如果不去考慮阻抗匹配而是直接把信號源與后級負(fù)載電路相連接,不僅會使負(fù)載端得不到最大功率輸出,而且還會引起 一些諸如干擾、反射等復(fù)雜的電路問題。特別是在高頻和微波電路中阻抗不匹配所帶來的問題尤為明顯,經(jīng)電路傳輸?shù)哪芰繒瓷浠貋懋a(chǎn)生駐波,嚴(yán)重時會引起饋線的絕緣層及發(fā)射機末級功放管的損壞。因此,需要在電源端與負(fù)載端之間設(shè)計一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),把負(fù)載端的阻抗轉(zhuǎn)換成與電源端阻抗相匹配的阻抗形式。電源與負(fù)載的阻抗達到匹配,這種情況下不僅可以實現(xiàn)最大功率傳輸,而且能夠起到減小通帶內(nèi)頻率信號的相位失真。