阻抗匹配

阻抗匹配

（Impedance Matching）

学 院： 信息工程学院

班 级： 08通信一班

姓 名：______王鲲鹏_______

学 号： 0839050

阻抗匹配（Impedance Matching）

1. 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。

在低频电路中，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）。从以上分析可以得出结论：如果需要输出电流大，则选择小的负载R；如果需要输出电压大，则选择大的负载R；如果需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。当交流电路中含有容性或感性阻抗时，就需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，此时达到匹配。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。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。

阻抗匹配（Impedance Matching）在高频设计中是一个常用的概念，是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点。匹配的实质就是设法在终端负载附近产生一新的反射波，使它恰好和负载引起的反射波等辐反相，彼此抵消，从而达到匹配传输的目的，从而提升能源效益。一旦匹配完善，传输线即处于行波工作状态。

阻抗匹配（Impedance Matching）具有三种不同的含义，分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配。

（1）负载阻抗匹配

负载阻抗匹配是负载阻抗等于传输线的特性阻抗。此时传输线上只有从信源到负载的入射波，而无反射波。匹配负载完全吸收了由信源入射来的微波功率；而不匹配负载则将一部分功率反射回去，在传输线上出现驻波。当反射波较大时，波腹电场要比行波电场大得多，容易发生击穿，这就限制了传输性能传输的最大功率，因此要采取措施进行负载阻抗匹配。负载阻抗匹配一般采用阻抗匹配器。

（2）源阻抗匹配

电源的内阻等于传输线的特性阻抗时，电源和传输线时匹配的，这种电源称之为匹配源。对匹配源来说，它给传输线的入射功率是不随负载变化的，负载有反射时，反射回来的反射波被电源吸收。可以用阻抗变换器把不匹配源变成匹配源，但常用的方法是加一个去耦衰减器或隔离器，它们的作用是吸收反射波。

（3）共轭阻抗匹配

对于不匹配电源，当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时，负载能得到最大功率值，这种匹配成为共轭匹配。

2. 如何实现阻抗匹配？

对一个由信源、传输线和负载阻抗组成的传输系统，希望信号源在输出最大功率的同时，负载全部吸收，以实现高效稳定的传输。因此一方面应用阻抗匹配器使信源输出端达到共轭匹配，另一方面应用阻抗匹配器使负载与传输线特性阻抗相匹配，而信源端一般采用隔离法或去耦衰减器以实现信源端匹配。

在微波中，常用的匹配方法有：电抗补偿法、阻抗变换器法、支节调配器法、反射接收法。

（1）电抗补偿法

在传输线中的某些位置加入匹配元件，如纯电阻的膜片、销钉、螺钉调配器、短路调配器等，使这些电抗性负载产生的反射与负责产生的反射相抵消，从而实现匹配传输。这些电抗负载可以是容性，也可以是感性，其主要特点是匹配装置不耗能，传输效率高。

（2）阻抗变换器法

采用λ/4阻抗变换器或渐变线阻抗变换器使不匹配的负载或

两段特性阻抗不同的传输线实现匹配连接。

①λ/4阻抗变换器

当负载阻抗为纯电阻且其值R1与传输线特性阻抗Z0不相等时，

可在两者之间加接一节长度为λ/4、特性阻抗为Z01的传输线来实现负载和传输线之间的匹配。此时当匹配传输线的特性阻抗为Z01=(Z0R1)1/2时，输入端的输入阻抗Zin=Z0，从而实现了负载和传输线之间的阻抗匹配。

然而由于λ/4阻抗变换器的长度取决于波长，因此严格说它只能在中心频率点才能匹配，当频偏时匹配特性变差，也说明匹配法时窄带的。

②渐变线阻抗变换器

对于上述的λ/4阻抗变换器，若节数增加时，每两节之间的特性阻抗阶梯变化就变得很小，在节数无限增大的极限情况下，就变成连续的渐变线。这种渐变线的长度l主要远大于工作波长，其输入驻比就可以做到很小，并且工作频率越高，该条件也越易容易得到满足。

（3）支节调配器法

支节调配器是由距离负载的某固定位置上的并联或串联终端短路或开路的传输线（又称支节）构成的。可分为单支节调配器、双支节调配器及多支节调配器。

（4）反射吸收法

利用铁氧体元件的单向传输特性（如隔离器等）将不匹配负载产生的反射波吸收掉。

3.调配器

调配器实质上就是一个阻抗变换器，因为所谓不匹配就是指负载阻抗与传输线特性阻抗不相等，调配器就是通过阻抗变换来达到阻抗匹配的。

（1）膜片

膜片是指垂直于波导管轴线而放置在波导中的金属薄片，膜片可以从波导宽边出发对称或不对称放置，称之为容性膜片；也可以从波导窄边出发对称或不对称放置，称为感性膜片。有时候将感性膜片和容性膜片组合在一起同时引入波导，称之为组合膜片。

（2）销钉

在波导中垂直波导壁放置并且两端与波导壁相连的金属圆棒称为销钉，销钉类似于波导膜片，也相当于在波导中引入并联电纳，因而同样也可以作为负载的阻抗匹配用。

①感性销钉

感性平行于波导窄边的销钉引入的电纳是感性的，这样放置的销钉相当于代替了波导宽边的一部分空间，减小了波导宽边的尺寸，与电感膜片类似，其等效电路为并联电感。

②容性销钉

平行于波导宽边的销钉是容性的。这样放置的销钉相当于代替了波导窄边的一部分空间，减小了波导窄边的尺寸，与容性膜片类似，其等效电路为并联电容。

（3）调配螺钉

用膜片或销钉来调配负载时会有很多不便，一方面是负载本身的特性阻抗不一定已知，进行匹配时只有用不同尺寸大小的膜片或销钉反复测试才能达到匹配；另一方面是膜片或销钉的尺寸及在波导中的位置固定后，其引入的导纳也就固定，只能对特定的负载进行匹配，负载一旦改变，就要重新制作调配器。若使用深度可以调节的螺钉来代替固定膜片或销钉，显然就方便多了。因为它的电纳是可以改变的，能适应不同负载的需要，因而调配螺钉是小功率微波设备中普遍采用的调配元件，调配螺钉也常被叫做调谐螺钉。

①单螺钉调配器

单螺钉调配器的调配螺钉一般通过波导宽边中央插入波导，与膜片、销钉一样，它的等效电路也是并联电纳。

理论和实验都证实，当螺钉插入波导的深度l＜λ/4时，螺钉将主要集中电场的作用，因而螺钉的等效电路呈现容性，随着插入深度的增加电容量也增大。但在同时，波导宽边上的轴向电流要流进螺钉沿螺钉轴向流动，从而产生磁场，使螺钉具有一定电感量，只是在螺钉插入深度较浅时，电感量很小，可以忽略，当螺钉插入深度增加时，电感量也要增加，所以这时调配器的等效电路为并联在主线上的LC串联回路。当l=λ/4时，容抗和感抗相等，回路谐振，总的并联导纳趋于无穷大，使波导短路，产生全反射。螺钉深度再进一步增加时，当l＞λ/4时，电感量将成为主要，螺钉呈感性，直至螺钉与波导对壁接触成为感性销钉。不过在实用上，通常将螺钉设计为容性，因为根据矩形波导尺寸选择，当螺钉长度大于λ/4时，螺钉头与波导壁的距离很小，易引起击穿。

②双螺钉、三螺钉调配器

单螺钉调配器的缺点是必须在波导宽边中央开缝以便螺钉移动，但同时又要保证螺钉

与波导的电接触，显然，这不是一种好的方式。为此，可以采用两个调配螺钉而不必再沿波导纵向移动螺钉的位置，只需分别调节两个螺钉的插入深度就可以达到负载匹配的目的。

双螺钉调配器的缺点是不能对任意负载进行匹配，存在某些负载导纳不可能达到匹配的死区。采用三螺钉调配器就可以克服这一缺点，三螺钉调配器实际上可以看做是两个螺钉调配器的串联，中间的螺钉既是前一个双螺钉调配器的一部分，也是后一个螺钉匹配器的组成部分，利用三螺钉调配器可以匹配任何负载导纳。

（4）同轴线短路分支调配器

在同轴线主传输线上并联2个或三个分支同轴线，分支同轴线均以可移动的短路活塞短路，则短路分支同轴线相当于主线上上的并联电纳，当短路活塞在λ/2范围内移动时，并联分支的输入电纳就可以在±∞范围内调节，构成与波导双销钉或三销钉匹配器完全相应的调配器。

4.为什么要实现阻抗匹配？

阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之，当电路阻抗不匹配时，不但得不到最大的功率传输，还会带来电磁波在电路里的反射，使得传输效率降低，噪声增加，电路性能下降，严重的还会烧毁功率器件。

阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间，等等。例如，扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配，不匹配时，扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器。如果扬声器的阻抗远

小于扩音机的输出阻抗，扩音机就处于过载状态，其末级功率放大管很容易损坏。反之，如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多，会引起输出电压升高，同样不利于扩，音机的工作，声音还会产生失真。因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好。又例如，无线电发信机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致。如果阻抗值不一致，发信机输出的高频能量将不能全部由天线发射出去。这部分没有发射出去的能量会反射回来，产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层及发信机末级功放管的损坏。为了使信号和能量有效地传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态。

5.是否什么时候都要考虑阻抗匹配？

阻抗匹配仅适用于电子电路，因为电子电路中传输的信号功率本身较弱，需用匹配来提高输出功率。而在电工电路中一般不考虑匹配，否则会导致输出电流过大，损坏用电器。

在普通的宽频带放大器中，因为输出阻抗为50Ω，所以需要考虑在功率传输电路中进行阻抗匹配。但是，实际上当电缆的长度对于信号的波长来说可以忽略不计时，就勿需阻抗匹配的。

如信号频率为1MHz，其波长在空气中为300m，在同轴电缆中约为200m。在通常使用的长度为1m左右的同轴电缆中，是在完全可忽略的范围之内。

6.生活中的例子

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。另外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75Ω，所以300Ω的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢？在电视机的附件中，有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器（一个塑料封装的，一端有一个圆形的插头）。

它里面其实就是一个传输线变压器，将300Ω的阻抗，变换成75Ω的，这样就可以匹配起来了。

参考书籍：

王文祥《微波工程技术》 国防工业出版社

毛钧杰《微波技术与天线》 科学出版社

王新稳等《微波技术与天线》 电子工业出版社

陈振国《微波技术基础与应用》 北京邮电大学出版社