天線：什么是阻抗匹配？什么是阻抗失配？如何做到阻抗匹配？

2016-10-18 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

天線:什么是匹配什么是失配?

阻抗匹配(impedance matching) :信號(hào)源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同,或傳輸線的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同,分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài),簡(jiǎn)稱為阻抗匹配。否則,便稱為阻抗失配。有時(shí)也直接叫做匹配或失配。

簡(jiǎn)單而言,阻抗匹配就是信號(hào)源內(nèi)存與負(fù)載的阻抗一樣,這樣可以使得輸出功率達(dá)到最大。對(duì)天線而言,特別有用,匹配時(shí)電信號(hào)轉(zhuǎn)化成電磁波的效率達(dá)到最大值。多以天線設(shè)計(jì)中,如果達(dá)到阻抗匹配,意味著發(fā)射效率最高,反射消耗為0.

概述
信號(hào)傳輸過程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系,以免接上負(fù)載后對(duì)器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對(duì)電子設(shè)備互連來說,例如信號(hào)源連放大器,前級(jí)連后級(jí),只要后一級(jí)的輸入阻抗大于前一級(jí)的輸出阻抗5-10倍以上,就可認(rèn)為阻抗匹配良好;對(duì)于放大器連接音箱來說,電子管機(jī)應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱阻抗相等或接近的音箱,而晶體管放大器則無此限制,可以接任何阻抗的音箱。
輸入端阻抗匹配時(shí),傳輸線獲得最大功率;在輸出端阻抗匹配的情況下,傳輸線上只有向終端行進(jìn)的電壓波和電流波,攜帶的能量全部為負(fù)載所吸收。
在阻抗失配的情況下,傳輸線上將同時(shí)存在-射波和應(yīng)射波。
從傳輸?shù)慕嵌葋碚f,總是竭力避免阻抗失配現(xiàn)象的出現(xiàn),因?yàn)榉瓷洳ǖ某霈F(xiàn),意味著遞送到傳輸線終端的功率不能全部為負(fù)載所吸收,降低了傳輸效率;在輸送功率較高的情況下,電壓或電流的波腹有可能損壞傳輸線的介質(zhì);而且傳輸線始端的輸入阻抗隨頻率而變化,輸送多頻信號(hào)時(shí),將因機(jī)、線阻抗難于匹配而出現(xiàn)失真。
阻抗匹配的程度常用電壓反射系數(shù)來衡量。
匹配條件
①負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗,即它們的模與輻角分別相等,這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。
②負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值,即它們的模相等而輻角之和為零。這時(shí)在負(fù)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(nèi)阻抗和負(fù)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(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對(duì)于不同特性的電路,匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中,當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí),則輸出功率為最大,這種工作狀態(tài)稱為匹配,否則稱為失配。
當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí),為使負(fù)載得到最大功率,負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共軛關(guān)系,即電阻成份相等,電抗成份絕對(duì)值相等而符號(hào)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(xué)里的一部分,主要用于傳輸線上,來達(dá)到所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的,不會(huì)有信號(hào)反射回來源點(diǎn),從而提升能源效益。史密夫圖表上。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(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度,然后才沿電阻圈走動(dòng),再沿中心旋轉(zhuǎn)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?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?br /> 共軛匹配
在信號(hào)源給定的情況下,輸出功率取決于負(fù)載電阻與信號(hào)源內(nèi)阻之比K,當(dāng)兩者相等,即K=1時(shí),輸出功率最大。阻抗匹配的概念可以推廣到交流電路,當(dāng)負(fù)載阻抗與信號(hào)源阻抗共軛時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸,如果負(fù)載阻抗不滿足共軛匹配的條件,就要在負(fù)載和信號(hào)源之間加一個(gè)阻抗變換網(wǎng)絡(luò),將負(fù)載阻抗變換為信號(hào)源阻抗的共軛,實(shí)現(xiàn)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(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)(transmission line matching)。
要匹配一組線路,首先把負(fù)載點(diǎn)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。
1. 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(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度,然后才沿電阻圈走動(dòng),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)榱阃瓿善ヅ洹?br /> 2. 調(diào)整傳輸線

由負(fù)載點(diǎn)至來源點(diǎn)加長(zhǎng)傳輸線,在圖表上的圓點(diǎn)會(huì)沿著圖中心以逆時(shí)針方向走動(dòng),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(duì)于一個(gè)直流電源來講,阻抗匹配時(shí)輸出效率只有50%。并且電源以對(duì)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(duì)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(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長(zhǎng)度,即纜長(zhǎng)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(shí),要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時(shí)的傳輸不會(huì)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(shí),為了防止信號(hào)的反射,要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個(gè)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(duì)絞線則為 100歐姆,只是取個(gè)整而已,為了匹配方便。

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