阻抗匹配技術

阻抗匹配技術最早應用在電氣工程領域，隨后的發(fā)展使其應用不再局限于此，而是廣泛應用在涉及能量從源端傳輸?shù)截撦d端的領域之中，比如聲學系統(tǒng)、光學系統(tǒng)以及機械系統(tǒng)。在射頻電路領域，阻抗匹配技術具有更重要的意義。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，其輸入輸出阻抗的值只有幾歐姆，但是通常的射頻系統(tǒng)的標準阻抗是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準阻抗50Ω。阻抗匹配網(wǎng)絡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計中，較為重要的因素是帶寬和匹配網(wǎng)絡的品質。

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載串聯(lián)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(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180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉180度。重復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，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遠大于電纜長度，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，當匹配元件增多時，需要計算機輔助計算。使用諧振法設計阻抗匹配電路時，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構。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)標準阻抗。在高頻情況下，集總電感元件的寄生效應突出，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、結構簡單的特點，廣泛地應用在射頻電路的設計中。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，嚴重時無法實現(xiàn)調諧，發(fā)射機無法正常工作。

在進行有源電路設計時，如果不去考慮阻抗匹配而是直接把信號源與后級負載電路相連接，不僅會使負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，需要在電源端與負載端之間設計一個阻抗匹配網(wǎng)絡，把負載端的阻抗轉換成與電源端阻抗相匹配的阻抗形式。電源與負載的阻抗達到匹配，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頻率信號的相位失真。