如何解決阻抗不匹配時的反射問題

基本概念

信號傳輸過程中負載阻抗和信源內(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載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后一級的輸入阻抗大于前一級的輸出阻抗5-10倍以上，就可認為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應(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。

匹配條件

①負載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時在負載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。

②負載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時在負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。

阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內(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)負載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，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)激勵源內(nèi)阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。

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，來達至所有高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的，不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。史密夫圖表上。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(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，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

在信號源給定的情況下，輸出功率取決于負載電阻與信號源內(nèi)阻之比K，當(dāng)兩者相等，即K=1時，輸出功率最大。然而阻抗匹配的概念可以推廣到交流電路，當(dāng)負載阻抗與信號源阻抗共軛時，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸，如果負載阻抗不滿足共軛匹配的條件，就要在負載和信號源之間加一個阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，將負載阻抗變換為信號源阻抗的共軛，實現(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(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。

1、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(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)榱阃瓿善ヅ洹?br />
2、調(diào)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(diào)整為零，完成匹配。

阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個電源來講，單它的內(nèi)阻等于負載時，輸出功率最大，此時阻抗匹配。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。

何為阻抗

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)。

怎樣理解阻抗匹配

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)，這叫做共厄匹配。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)。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。傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關(guān)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75歐，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50歐的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300歐的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為75歐，所以300歐的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢?不知道大家有沒有留意到，電視機的附件中，有一個300歐到75歐的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個塑料包裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大的)?它里面其實就是一個傳輸線變壓器，將300歐的阻抗，變換成75歐的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強調(diào)一點的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關(guān)，也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產(chǎn)生反射，負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢?如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會在傳輸線上形成駐波(簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱)，導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。

當(dāng)阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢?第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說的電視機中的那個例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。

為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會受不了了——這就是負載過重的情況，會產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會撲空，手也可能會受不了——這就是負載過輕的情況。另一個例子，不知道大家有沒有過這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時上/下樓梯，當(dāng)你以為還有樓梯時，就會出現(xiàn)“負載不匹配”這樣的感覺了。當(dāng)然，也許這樣的例子不太恰當(dāng)，但我們可以拿它來理解負載不匹配時的反射情況。