浅谈阻抗匹配的理想模型及方法

一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。

什么是阻抗

在电学中，常把对电路中电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗单位为欧姆，常用Z表示，是一个复数：

Z= R+i（ ωL–1/（ωC））

具体说来阻抗可分为两个部分，电阻（实部）和电抗（虚部）。

其中电抗又包括容抗和感抗，由电容引起的电流阻碍称为容抗，由电感引起的电流阻碍称为感抗。

阻抗匹配的理想模型

信号源与传输线之间匹配，分为两种情况：

使信号源无反射，方法是接入信号源与传输线之间接入匹配装置

信号源共轭匹配，方法是信号源与被匹配电路之间接入匹配装置，这种情况下多属于有源电路设计

射频工程师大都遇到过匹配阻抗的问题，通俗的讲，阻抗匹配的目的是确保能实现信号或能量从“信号源”到“负载”的有效传送。

如下图所示，其最最理想模型当然是希望信号源Source端的输出阻抗为50欧姆，传输线的阻抗为50欧姆，负载Load端的输入阻抗也是50欧姆，一路50欧姆下去，这是最理想的模型。

然而实际情况是：源端阻抗不会是50ohm，负载端阻抗也不会是50ohm，这个时候就需要若干个阻抗匹配电路。

而匹配电路就是由电感和电容所构成，这个时候我们就需要使用电容和电感来进行阻抗匹配电路调试，以达到RF性能最优。

阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有两个，一是改变阻抗力，二是调整传输线。

改变阻抗力就是通过电容、电感与负载的串并联调整负载阻抗值，以达到源和负载阻抗匹配。

调整传输线是加长源和负载间的距离，配合电容和电感把阻抗力调整为零。

此时信号不会发生发射，能量都能被负载吸收。

高速PCB布线中，一般把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆。一般规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线（差分）为85-100欧姆。

阻抗匹配（Impedance matching）其实是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，是为了达到所有高频微波信号都能传至负载点的目的，不会有信号反射回源点。

大体上，阻抗匹配有两种：

一种是通过改变阻抗力（lumped-circuit matching）

调整传输线（transmission line matching）

要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。

改变阻抗力

把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。如果把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。重复以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。

调整传输线

由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配。

阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，当它的内阻等于负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。最大功率传输定理，如果是高频的话，就是无反射波。对于普通的宽频放大器，输出阻抗50Ω，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是如果信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就无须考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等，此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了。反之则在传输中有能量损失。高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。这是个大约的数字，一般规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线则为 100欧姆，只是取个整而已，为了匹配方便。