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:互聯網

天線:什么是匹配什么是失配?

阻抗匹配(impedance matching) :信號源內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,簡稱為阻抗匹配。否則,便稱為阻抗失配。有時也直接叫做匹配或失配。

簡單而言,阻抗匹配就是信號源內存與負載的阻抗一樣,這樣可以使得輸出功率達到最大。對天線而言,特別有用,匹配時電信號轉化成電磁波的效率達到最大值。多以天線設計中,如果達到阻抗匹配,意味著發射效率最高,反射消耗為0.

概述
信號傳輸過程中負載阻抗和信源內阻抗之間的特定配合關系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負載阻抗之間所應滿足的某種關系,以免接上負載后對器材本身的工作狀態產生明顯的影響。對電子設備互連來說,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,電子管機應選用與其輸出端標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,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的電壓波和電流波,攜帶的能量全部為負載所吸收。
在阻抗失配的情況下,傳輸線上將同時存在-射波和應射波。
從傳輸的角度來說,總是竭力避免阻抗失配現象的出現,因為反射波的出現,意味著遞送到傳輸線終端的功率不能全部為負載所吸收,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;而且傳輸線始端的輸入阻抗隨頻率而變化,輸送多頻信號時,將因機、線阻抗難于匹配而出現失真。
阻抗匹配的程度常用電壓反射系數來衡量。
匹配條件
①負載阻抗等于信源內阻抗,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部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態。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,當負載電阻等于激勵源內阻時,則輸出功率為最大,這種工作狀態稱為匹配,否則稱為失配。
當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時,為使負載得到最大功率,負載阻抗與內阻必須滿足共軛關系,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軛匹配。
阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學里的一部分,主要用于傳輸線上,來達到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。重覆以上方法直至電阻值變成1,即可直接把阻抗力變為零完成匹配。
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阻之比K,當兩者相等,即K=1時,輸出功率最大。阻抗匹配的概念可以推廣到交流電路,當負載阻抗與信號源阻抗共軛時,能夠實現功率的最大傳輸,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絡,將負載阻抗變換為信號源阻抗的共軛,實現阻抗匹配。
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為零完成匹配。
2. 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。這是個大約的數字,一般規定同軸電纜基帶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。

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