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| 阻抗匹配 |
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阻抗匹配（impedance matching） 主要用於傳輸線上，以此來達到所有高頻的微波信號均能傳遞至負載點的目的，而且幾乎不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。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於阻抗匹配狀態，簡稱為阻抗匹配。[1]
簡介
阻抗匹配技術最早應用在電氣工程領域，隨後的發展使其應用不再局限於此，而是廣泛應用在涉及能量從源端傳輸到負載端的領域之中，比如聲學系統、光學系統以及機械系統。在射頻電路領域，阻抗匹配技術具有更重要的意義。射頻功率放大器是通信器材中的核心部件，其作用是對射頻功率信號進行放大。晶體管是射頻功放的核心，是功率電子的重要基礎，其輸入輸出阻抗的值只有幾歐姆，但是通常的射頻系統的標準阻抗是50 Ω。為了獲得更好的功率傳輸性能，晶體管輸入輸出的阻抗值要匹配到標準阻抗50Ω。阻抗匹配網絡的目的是為了解決功率傳輸時阻抗不匹配的問題，可以通過集總參數元件（比如電容、電感）或者分布參數元件（微帶線）來實現，前者主要用於較低頻率，後者主要用於更高的頻率。在阻抗匹配電路的設計中，較為重要的因素是帶寬和匹配網絡的品質。
阻抗匹配的通常做法是在源和負載之間插入一個無源網絡，使負載阻抗與源阻抗共軛匹配，該網絡也被稱為匹配網絡。阻抗匹配的主要作用通常有以下幾點：從源到器件、從器件到負載或器件之間功率傳輸最大；提高接收機靈敏度(如LNA前級匹配)；減小功率分配網絡幅相不平衡度；獲得放大器理想的增益、輸出功率(PA輸出匹配)、效率和動態範圍；減小饋線中的功率損耗。
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。
匹配條件
負載阻抗等於信源內阻抗，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。
負載阻抗等於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。對於不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當負載電阻等於激勵源內阻時，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係，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。
阻抗匹配是微波電子學裡的一部分，主要用於傳輸線上，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，在圖表上的點會沿着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，然後才沿電阻圈走動，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。
實現匹配
大體上，阻抗匹配有兩種，一種是通過改變阻抗力（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，然後把數值劃在史密夫圖表上。
改變阻抗力
負載與傳輸線之間的阻抗匹配，使負載無反射。方法是接入匹配裝置使輸入阻抗和特性阻抗相等。
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，然後才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉180度。重複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。
調整傳輸線
信號源與傳輸線之間匹配，分為兩種情況:1)使信號源無反射,方法是接入信號源與傳輸線之間接入匹配裝置。2)信號源共軛匹配，方法是信號源與被匹配電路之間接人匹配裝置，這種情況下多屬於有源電路設計。
阻抗匹配則傳輸功率大，對於一個直流電源來講，阻抗匹配時輸出效率只有50%。並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。對於普通的寬頻放大器，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於電纜長度，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徵阻抗相等，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。
優劣
在評價阻抗匹配電路的優劣時，會使用到如下參數指標：回波損耗、失配因子、失配損耗、品質因數和帶寬。回波損耗又稱為反射損耗，單位為dB，反映了由於阻抗不匹配所產生的功率反射的量，可表示為：
其中： 為信號源輸送給匹配網絡的入射功率，與負載阻抗無關。此外，射頻問題經常會運用微波網絡的觀點進行分析，回波損耗也可以用一端口的反射係數表示，當回波損耗的值低於-10dB時，表示入射功率有90%被負載網絡所吸收，可以認為達到了匹配網絡的設計目標。失配因子和失配損耗是衡量阻抗匹配網絡失配程度的物理量，失配因子為負載吸收的功率與入射功率的比值；失配損耗為失配因子的對數形式。如果負載吸收的功率是入射功率的90%，那麼失配因子為0.9，失配損耗為0.45dB。在設計阻抗匹配電路時，經常會使用到品質因數的概念。對並聯電路來說，品質因數可以表示為Q=BP/GP，其中，BP為並聯電路中的電納，GP為並聯電路中的電導。對串聯電路來說，品質因數可表示為Q=XS/RS，其中，XS為串聯電路中的電抗，RS為串聯電路中的電阻。品質因數對阻抗匹配電路具有重要意義，因為品質因數和帶寬BW之間具有下列關係：BW=W/Q。表明：當品質因數Q很高時，BW會很小，此時適合設計窄帶的阻抗匹配網絡。如果要設計寬帶的阻抗匹配網絡，必須保證阻抗匹配網絡的品質因數較低。
設計方法
在阻抗匹配的設計方法中，思路最簡單的就是解析法，通過建立阻抗變換的關係式，最終求解所需要的電容和電感。其缺點是計算量較大，當匹配元件增多時，需要計算機輔助計算。
使用諧振法設計阻抗匹配電路時，將輸入阻抗（呈電感性）由串聯電路的形式轉換為並聯的形式，然後並聯一個電容性的元件和等效的並聯電感產生諧振，接着交替用串聯電感和並聯電容形成低通濾波結構。通過這種方式，輸入阻抗的實部逐步提高，直至變換到系統標準阻抗。
在高頻情況下，集總電感元件的寄生效應突出，分布參數不穩定，較少被使用。此時微帶線以其特有的分布參數穩定、結構簡單的特點，廣泛地應用在射頻電路的設計中。根據微帶線的特性阻抗和電長度可計算出實際微帶線的長度和寬度。
應用
中壓配電網阻抗匹配
中壓配網電力載波通信技術是利用中壓配電線路作為通信信道進行數據傳輸的一種通信方式，該技術不需專 設通信信道，運行費用和維護成本相對較低，擁有得天獨厚的優勢，其在配電自動化中的巨大作用也備受關注。 然而由於中壓配電網電力線信道拓撲結構複雜、負荷時變，使得信道的輸入阻抗呈現較大的差異，在通信過程中引起嚴重的阻抗失配問題，從而嚴重影響通信質量。 因此改善通信質量的方法就是中壓配電網阻抗匹配，現有的單節點電力線阻抗匹配方法分為兩類，一類是基於智能算法求取阻抗匹配參數，一類是通過設計耦合電路實現阻抗匹配。其中，基於智能優化的算法能獲得較好匹配，並且有較高的可靠性，但是建模複雜，迭代時間長，需要專門的數字處理器，優化結果對初值依賴性較強，容易陷入局部最優。 而設計耦合電路法實際應用較多，主要通 過改變匹配網絡的結構及參數值來進行阻抗匹配，但匹配精度稍差，適用範圍存在一定局限性。
聲表濾波器的阻抗匹配
隨着移動通信的快速發展，聲表濾波器的應用範圍不斷擴展，由於系統應用的深入，對聲表濾波器的性能也提出了更高的要求。然而，在實際的射頻電路應用中，出於性能運用的考慮，設計者通常將聲表濾波器設計成不同的形式，將聲表濾波器看作是一個網絡，其對應的輸入、輸出就是兩個端口，在實際電路中，聲表濾波器需要與外部電路進行阻抗匹配，從而達到電路期望的性能。
總結
電磁波傳輸電路必須考慮其阻抗匹配問題，只有實現了輸出阻抗與負載阻抗「完美」的匹配，才能實現電磁波信號的無反射傳輸，實現最大功率化利用。如果電磁波傳輸電路中出現不匹配就會引起嚴重的反射，這樣傳輸線上將形成駐波，大量的功率浪費在反射功率上，同時因反射功率過大將造成元器件的損壞，使得發射機故障率上升，也使得能量利用率降低，嚴重時無法實現調諧，發射機無法正常工作。
在進行有源電路設計時，如果不去考慮阻抗匹配而是直接把信號源與後級負載電路相連接，不僅會使負載端得不到最大功率輸出，而且還會引起 一些諸如干擾、反射等複雜的電路問題。特別是在高頻和微波電路中阻抗不匹配所帶來的問題尤為明顯，經電路傳輸的能量會反射回來產生駐波，嚴重時會引起饋線的絕緣層及發射機末級功放管的損壞。因此，需要在電源端與負載端之間設計一個阻抗匹配網絡，把負載端的阻抗轉換成與電源端阻抗相匹配的阻抗形式。電源與負載的阻抗達到匹配，這種情況下不僅可以實現最大功率傳輸，而且能夠起到減小通帶內頻率信號的相位失真。