資料介紹
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。
阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)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(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓 源,總是有內(nèi)阻的,我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源,等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R,電源電動(dòng)勢為U,內(nèi)阻為r,那么我們可 以計(jì)算出流過電阻R的電流為:I=U/(R+r),可以看出,負(fù)載電阻R越小,則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)], 可以看出,負(fù)載電阻R越大,則輸出電壓Uo越高。再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為:
P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)
=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]
=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}
對于一個(gè)給定的信號(hào)源,其內(nèi)阻r是固定的,而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)2/R],當(dāng)R=r時(shí),[(R-r)2/R]可取得最小值0,這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即,當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí),負(fù)載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗匹配之一。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(shí),結(jié)論有所改變,就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等,虛部互為相反數(shù),這叫做共扼匹配。 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(hào)源跟負(fù)載之間的情況,因?yàn)榈皖l信號(hào)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?yàn)榫€短,即使反射回來,跟原信號(hào)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(fù)載R; 如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負(fù)載R;如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)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(fù)載條件下設(shè)計(jì)的,如果負(fù)載條件改變了,則可能達(dá)不到原來的性能,這時(shí)我們也會(huì)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(hào)的頻率很高時(shí),則信號(hào)的波長就很短,當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí),反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變原信號(hào)的 形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等(即不匹配)時(shí),在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)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(xì)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(hào)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75Ω,而一些射頻設(shè) 備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Ω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?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω,所以300Ω的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問題的呢?不知道大家有沒有留意到,電視機(jī) 的附件中,有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個(gè)塑料封裝的,一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東,大概有兩個(gè)大拇指那么大)。它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器, 將300Ω的阻抗,變換成75Ω的,這樣就可以匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是,特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)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(fù)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(huì)有什么不良后果呢?如果不匹 配,則會(huì)形成反射,能量傳遞不過去,降低效率;會(huì)在傳輸線上形成駐波(簡單的理解,就是有些地方信號(hào)強(qiáng),有些地方信號(hào)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(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí),會(huì)產(chǎn)生震蕩,輻射干擾等。
當(dāng)阻抗不匹配時(shí),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(jī)中的那個(gè)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(shí)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(dòng)器的阻抗比較低,可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來跟傳輸線匹配,例如高 速信號(hào)線,有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)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。(始端串聯(lián)匹配,終端并聯(lián)匹配)
為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問題,我來舉兩個(gè)例子:假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包,你打上去會(huì)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(huì)受不了了——這就是負(fù)載過重的情況,會(huì)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(huì)撲空,手也可能會(huì)受不了——這就是負(fù)載過輕的情況。
阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)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(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓 源,總是有內(nèi)阻的,我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源,等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R,電源電動(dòng)勢為U,內(nèi)阻為r,那么我們可 以計(jì)算出流過電阻R的電流為:I=U/(R+r),可以看出,負(fù)載電阻R越小,則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)], 可以看出,負(fù)載電阻R越大,則輸出電壓Uo越高。再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為:
P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)
=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]
=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}
對于一個(gè)給定的信號(hào)源,其內(nèi)阻r是固定的,而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)2/R],當(dāng)R=r時(shí),[(R-r)2/R]可取得最小值0,這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即,當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí),負(fù)載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗匹配之一。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(shí),結(jié)論有所改變,就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等,虛部互為相反數(shù),這叫做共扼匹配。 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(hào)源跟負(fù)載之間的情況,因?yàn)榈皖l信號(hào)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?yàn)榫€短,即使反射回來,跟原信號(hào)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(fù)載R; 如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負(fù)載R;如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)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(fù)載條件下設(shè)計(jì)的,如果負(fù)載條件改變了,則可能達(dá)不到原來的性能,這時(shí)我們也會(huì)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(hào)的頻率很高時(shí),則信號(hào)的波長就很短,當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí),反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變原信號(hào)的 形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等(即不匹配)時(shí),在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)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(xì)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(hào)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75Ω,而一些射頻設(shè) 備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Ω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?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω,所以300Ω的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問題的呢?不知道大家有沒有留意到,電視機(jī) 的附件中,有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個(gè)塑料封裝的,一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東,大概有兩個(gè)大拇指那么大)。它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器, 將300Ω的阻抗,變換成75Ω的,這樣就可以匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是,特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)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(fù)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(huì)有什么不良后果呢?如果不匹 配,則會(huì)形成反射,能量傳遞不過去,降低效率;會(huì)在傳輸線上形成駐波(簡單的理解,就是有些地方信號(hào)強(qiáng),有些地方信號(hào)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(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí),會(huì)產(chǎn)生震蕩,輻射干擾等。
當(dāng)阻抗不匹配時(shí),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(jī)中的那個(gè)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(shí)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(dòng)器的阻抗比較低,可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來跟傳輸線匹配,例如高 速信號(hào)線,有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)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。(始端串聯(lián)匹配,終端并聯(lián)匹配)
為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問題,我來舉兩個(gè)例子:假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包,你打上去會(huì)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(huì)受不了了——這就是負(fù)載過重的情況,會(huì)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(huì)撲空,手也可能會(huì)受不了——這就是負(fù)載過輕的情況。
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