天線：什么是阻抗？阻抗=電阻嗎？

阻抗從字面上看就與電阻不一樣,其中只有一個阻字是相同的,而另一個抗字呢?簡單地說,阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;通俗一點地說,阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質(zhì)都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體,電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo)體,而最近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體,則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗,簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題,具有向量上的關(guān)系式,因此才會說:阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

高頻電路的阻抗匹配由于高頻功率放大器工作于非線性狀態(tài),所以線性電路和阻抗匹配(即:負載阻抗與電源內(nèi)阻相等)這一概念不能適用于它。因為在非線性(如:丙類)工作的時候,電子器件的內(nèi)阻變動劇烈:通流的時候,內(nèi)阻很小;截止的時候,內(nèi)阻接近無窮大。因此輸出電阻不是常數(shù)。所以所謂匹配的時候內(nèi)阻等于外阻,也就失去了意義。因此,高頻功率放大的阻抗匹配概念是:在給定的電路條件下,改變負載回路的可調(diào)元件,使電子器件送出額定的輸出功率至負載。這就叫做達到了匹配狀態(tài)。

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。
  阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動一個負載入手。由于實際的電壓源,總是有內(nèi)阻的,我們可以把一個實際電壓源,等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負載電阻為R,電源電動勢為U,內(nèi)阻為r,那么我們可以計算出流過電阻R的電流為:I=U/(R+r),可以看出,負載電阻R越小,則輸出電流越大。
  負載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看出,負載電阻R越大,則輸出電壓Uo越高。
  再來計算一下電阻R消耗的功率為: P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r] =U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}
  對于一個給定的信號源,其內(nèi)阻r是固定的,而負載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R],當(dāng)R=r時,[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0,這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U*U/(4*r)。即,當(dāng)負載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時,負載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗匹配之一。
  對于純電阻電路,此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時,結(jié)論有所改變,就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等,虛部互為相反數(shù),這叫做共軛匹配。
  在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問題,只考慮信號源跟負載之間的情況,因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮(可以這么理解:因為線短,即使反射回來,跟原信號還是一樣的)。[1] 

從以上分析我們可以得出結(jié)論:如果我們需要輸出電流大,則選擇小的負載R;如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負載R;如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號源內(nèi)阻匹配的電阻R。
  有時阻抗不匹配還有另外一層意思,例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設(shè)計的,如果負載條件改變了,則可能達不到原來的性能,這時我們也會叫做阻抗失配。 
  在高頻電路中,我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號的頻率很高時,則信號的波長就很短,當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時,反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不匹配(相等)時,在負載端就會產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法,牽涉到二階偏微分方程的求解,在這里我們不細說了,有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。