阻抗匹配

电气工程领域术语

阻抗匹配（impedance matching）主要用于传输线上，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。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，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。

简介

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。

阻抗匹配的通常做法是在源和负载之间插入一个无源网络，使负载阻抗与源阻抗共轭匹配，该网络也被称为匹配网络。阻抗匹配的主要作用通常有以下几点：从源到器件、从器件到负载或器件之间功率传输最大；提高接收机灵敏度(如LNA前级匹配)；减小功率分配网络幅相不平衡度；获得放大器理想的增益、输出功率(PA输出匹配)、效率和动态范围；减小馈线中的功率损耗。

输入端阻抗匹配时，传输线获得最大功率；在输出端阻抗匹配的情况下，传输线上只有向终端行进的电压波和电流波，携带的能量全部为负载所吸收。

匹配条件

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共轭关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而符号相反。这种匹配条件称为共轭匹配。

阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达到所有高频的微波信号皆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。史密夫图表上。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，在图表上的点会沿着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。重覆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。

实现匹配

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

负载与传输线之间的阻抗匹配，使负载无反射。方法是接入匹配装置使输入阻抗和特性阻抗相等。

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

信号源与传输线之间匹配，分为两种情况:1)使信号源无反射,方法是接入信号源与传输线之间接入匹配装置。2)信号源共轭匹配，方法是信号源与被匹配电路之间接人匹配装置，这种情况下多属于有源电路设计。

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。

优劣

在评价阻抗匹配电路的优劣时，会使用到如下参数指标：回波损耗、失配因子、失配损耗、品质因数和带宽。回波损耗又称为反射损耗，单位为dB，反映了由于阻抗不匹配所产生的功率反射的量，可表示为：

其中：为由于阻抗不匹配造成的反射功率；为信号源输送给匹配网络的入射功率，与负载阻抗无关。此外，射频问题经常会运用微波网络的观点进行分析，回波损耗也可以用一端口的反射系数表示，当回波损耗的值低于-10dB时，表示入射功率有90%被负载网络所吸收，可以认为达到了匹配网络的设计目标。失配因子和失配损耗是衡量阻抗匹配网络失配程度的物理量，失配因子为负载吸收的功率与入射功率的比值；失配损耗为失配因子的对数形式。如果负载吸收的功率是入射功率的90%，那么失配因子为0.9，失配损耗为0.45dB。在设计阻抗匹配电路时，经常会使用到品质因数的概念。对并联电路来说，品质因数可以表示为Q=BP/GP，其中，BP为并联电路中的电纳，GP为并联电路中的电导。对串联电路来说，品质因数可表示为Q=XS/RS，其中，XS为串联电路中的电抗，RS为串联电路中的电阻。品质因数对阻抗匹配电路具有重要意义，因为品质因数和带宽BW之间具有下列关系：BW=W/Q。表明：当品质因数Q很高时，BW会很小，此时适合设计窄带的阻抗匹配网络。如果要设计宽带的阻抗匹配网络，必须保证阻抗匹配网络的品质因数较低。

设计方法

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。

应用

中压配电网阻抗匹配

中压配网电力载波通信技术是利用中压配电线路作为通信信道进行数据传输的一种通信方式，该技术不需专设通信信道，运行费用和维护成本相对较低，拥有得天独厚的优势，其在配电自动化中的巨大作用也备受关注。然而由于中压配电网电力线信道拓扑结构复杂、负荷时变，使得信道的输入阻抗呈现较大的差异，在通信过程中引起严重的阻抗失配问题，从而严重影响通信质量。因此改善通信质量的方法就是中压配电网阻抗匹配，现有的单节点电力线阻抗匹配方法分为两类，一类是基于智能算法求取阻抗匹配参数，一类是通过设计耦合电路实现阻抗匹配。其中，基于智能优化的算法能获得较好匹配，并且有较高的可靠性，但是建模复杂，迭代时间长，需要专门的数字处理器，优化结果对初值依赖性较强，容易陷入局部最优。而设计耦合电路法实际应用较多，主要通过改变匹配网络的结构及参数值来进行阻抗匹配，但匹配精度稍差，适用范围存在一定局限性。

声表滤波器的阻抗匹配

随着移动通信的快速发展，声表滤波器的应用范围不断扩展，由于系统应用的深入，对声表滤波器的性能也提出了更高的要求。然而，在实际的射频电路应用中，出于性能运用的考虑，设计者通常将声表滤波器设计成不同的形式，将声表滤波器看作是一个网络，其对应的输入、输出就是两个端口，在实际电路中，声表滤波器需要与外部电路进行阻抗匹配，从而达到电路期望的性能。

总结

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。

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