阻抗匹配(impedance matching)信号源内阻与所接传输线的特性阻抗巨细持平且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的巨细持平且相位相同,别离称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状况,简称为阻抗匹配。不然,便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。
阻抗匹配是指信号源或许传输线跟负载之间的一种适宜的调配办法。阻抗匹配分为低频和高频两种状况评论。咱们先从直流电压源驱动一个负载下手。由于实践的电压 源,总是有内阻的,咱们能够把一个实践电压源,等效成一个抱负的电压源跟一个电阻r串联的模型。假定负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么咱们可 以核算出流过电阻R的电流为:I=U/(R+r),能够看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压为:Uo=IR=U/[1+(r/R)], 能够看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。再来核算一下电阻R耗费的功率为:
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}
关于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由咱们来挑选的。留意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可获得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即,当负载电阻跟信号源内阻持平时,负载可获得最大输出功率,这便是咱们常说的阻抗匹配之一。此定论相同适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或理性阻抗时,定论有所改动,便是需求信号源与负载阻抗的的实部持平,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配。 在低频电路中,咱们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的状况,由于低频信号的波长相关于传输线来说很长,传输线能够看成是“短线”,反 射能够不考虑(能够这么了解:由于线短,即便反射回来,跟原信号仍是相同的)。从以上剖析咱们能够得出定论:假如咱们需求输出电流大,则挑选小的负载R; 假如咱们需求输出电压大,则挑选大的负载R;假如咱们需求输出功率最大,则挑选跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有别的一层意思,例如一些仪器 输出端是在特定的负载条件下规划的,假如负载条件改动了,则或许达不到本来的功能,这时咱们也会叫做阻抗失配。
在高频电路中,咱们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度能够比较时,反射信号叠加在原信号大将会改动原信号的 形状。假如传输线的特征阻抗跟负载阻抗不持平(即不匹配)时,在负载端就会发生反射。为什么阻抗不匹配时会发生反射以及特征阻抗的求解办法,牵涉到二阶偏 微分方程的求解,在这儿咱们不细说了,有爱好的可参看电磁场与微波方面书本中的传输线理论。传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及资料 决议的,而与传输线的长度,以及信号的起伏、频率等均无关。
例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设 备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。别的还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线,这在乡村运用的电视天线架上比较常见,用来做八木天 线的馈线。由于电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω,所以300Ω的馈线将与其不能匹配。实践中是怎么处理这个问题的呢?不知道咱们有没有留意到,电视机 的附件中,有一个300Ω到75Ω的阻抗转化器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的那个东东,大概有两个大拇指那么大)。它里边其实便是一个传输线变压器, 将300Ω的阻抗,变换成75Ω的,这样就能够匹配起来了。这儿需求着重一点的是,特性阻抗跟咱们一般了解的电阻不是一个概念,它与传输线的长度无关,也 不能通过运用欧姆表来丈量。为了不发生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该持平,这便是传输线的阻抗匹配,假如阻抗不匹配会有什么不良后果呢?假如不匹 配,则会构成反射,能量传递不过去,下降功率;会在传输线上构成驻波(简略的了解,便是有些当地信号强,有些当地信号弱),导致传输线的有用功率容量降 低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。假如是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会发生震动,辐射搅扰等。
当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?榜首,能够考虑运用变压器来做阻抗转化,就像上面所说的电视机中的那个比如那样。第二,能够考虑运用串联/并联%&&&&&%或电 感的办法,这在调试射频电路经常运用。第三,能够考虑运用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低,能够串联一个适宜的电阻来跟传输线匹配,例如高 速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高,能够运用并联电阻的办法,来跟传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。(始端串联匹配,终端并联匹配)
为了协助咱们了解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个比如:假定你在操练拳击——打沙包。假如是一个分量适宜的、硬度适宜的沙包,你打上去会感觉很舒畅。但 是,假如哪一天我把沙包做了四肢,例如,里边换成了铁沙,你仍是用曾经的力打上去,你的手或许就会受不了了——这便是负载过重的状况,会发生很大的反弹 力。相反,假如我把里边换成了很轻很轻的东西,你一出拳,则或许会扑空,手也或许会受不了——这便是负载过轻的状况。