什么是阻抗匹配

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1、什么是阻抗匹配什么是阻抗匹配阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配 分为低频和高频两种情况讨论。我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于 实际的电压源，总是有内阻的（请参看输出阻抗一问），我们可以把一个实际 电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻 r 串联的模型。假设负载电阻为 R，电源电动势为 U，内阻为 r，那么我们可以计算出流过电阻 R 的电流为： I=U/(R+r)，可以看出，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)，可以看出，负载电阻 R 越大，则输出电压 Uo 越高。再来 计算一下电阻 R 消耗的功率

2、为： P=I2R=U/(R+r)2R=U2R/(R2+2Rr+r2)=U2R/(R-r)2+4Rr =U2/(R-r)2/R+4r 对于一个给定的信号源，其内阻 r 是固定的，而负载电阻 R 则是由我们来选择 的。注意式中(R-r)2/R，当 R=r 时，(R-r)2/R可取得最小值 0，这时负载 电阻 R 上可获得最大输出功率 Pmax=U2/(4r)。即，当负载电阻跟信号源内阻 相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯 电阻电路，此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或 感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部 互为

3、相反数，这叫做共扼匹配。在低频电路中，我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情况，因为低频信号的波长相对于传输线来 说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为 线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。从以上分析我们可以得出结论： 如果我们需要输出电流大，则选择小的负载 R；如果我们需要输出电压大，则 选择大的负载 R；如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电 阻 R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负 载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们 也会叫做阻抗失配。在高频电路中，我们

4、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可以比拟时，反射信号叠加在原信号上 将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配） 时，在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的 求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可 参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。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材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅 度、频率等均无关。 例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为 75，而一些射频设备上则常用特 征阻抗为 50 的同轴电缆。另外还

5、有一种常见的传输线是特性阻抗为 300 的 扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，用来做八木天线的馈线。 因为电视机的射频输入端输入阻抗为 75，所以 300 的馈线将与其不能匹配。 实际中是如何解决这个问题的呢？不知道大家有没有留意到，电视机的附件中， 有一个 300 到 75 的阻抗转换器（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）。它里面其实就是一个传输线变压器，将 300 的阻抗，变换成 75 的，这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点 的是，特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关， 也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产

6、生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻 抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配，如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？ 如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成 驻波（简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱），导致传输线的 有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上 的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢？第一，可以考虑使用变压器来做阻 抗转换，就像上面所说的电视机中的那个例子那样。第二，可以考虑使用串联/ 并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用。第三，可以考虑使用串 联/并联电阻的办

7、法。一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟 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，可以使用并联电阻的方法，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。为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题，我来举两个例子：假设你在 练习拳击打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包，你打上去会 感觉很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手脚，例如，里面换成了铁沙， 你还是用以前的力打上去，你的手可能就会受不了了这就是负载过重的情 况，会产生很大的反弹力。相反，如果我把里面换成了很轻很轻的东西，你一 出拳，则可能会扑空，手也可能会受不了这就是负载过轻的情况。另一个 例子，不知道大家有没有过这样的经历：就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以 为还有楼梯时，就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。当然，也许这样的例 子不太恰当，但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。