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淺談阻抗匹配的理想模型及方法

要長高 ? 來源:單片機(jī)與嵌入式 ? 作者:單片機(jī)與嵌入式 ? 2022-05-11 16:51 ? 次閱讀
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一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系,以免接上負(fù)載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。

什么是阻抗

在電學(xué)中,常把對電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆,常用Z表示,是一個(gè)復(fù)數(shù):

Z= R+i( ωL–1/(ωC))

具體說來阻抗可分為兩個(gè)部分,電阻(實(shí)部)和電抗(虛部)。

其中電抗又包括容抗和感抗,由電容引起的電流阻礙稱為容抗,由電感引起的電流阻礙稱為感抗。

阻抗匹配的理想模型

信號源與傳輸線之間匹配,分為兩種情況:

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

信號源共軛匹配,方法是信號源與被匹配電路之間接入匹配裝置,這種情況下多屬于有源電路設(shè)計(jì)

射頻工程師大都遇到過匹配阻抗的問題,通俗的講,阻抗匹配的目的是確保能實(shí)現(xiàn)信號或能量從“信號源”到“負(fù)載”的有效傳送。

如下圖所示,其最最理想模型當(dāng)然是希望信號源Source端的輸出阻抗為50歐姆,傳輸線的阻抗為50歐姆,負(fù)載Load端的輸入阻抗也是50歐姆,一路50歐姆下去,這是最理想的模型。

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然而實(shí)際情況是:源端阻抗不會(huì)是50ohm,負(fù)載端阻抗也不會(huì)是50ohm,這個(gè)時(shí)候就需要若干個(gè)阻抗匹配電路。

而匹配電路就是由電感和電容所構(gòu)成,這個(gè)時(shí)候我們就需要使用電容和電感來進(jìn)行阻抗匹配電路調(diào)試,以達(dá)到RF性能最優(yōu)。

阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有兩個(gè),一是改變阻抗力,二是調(diào)整傳輸線。

改變阻抗力就是通過電容、電感與負(fù)載的串并聯(lián)調(diào)整負(fù)載阻抗值,以達(dá)到源和負(fù)載阻抗匹配。

調(diào)整傳輸線是加長源和負(fù)載間的距離,配合電容和電感把阻抗力調(diào)整為零。

此時(shí)信號不會(huì)發(fā)生發(fā)射,能量都能被負(fù)載吸收。

高速PCB布線中,一般把數(shù)字信號的走線阻抗設(shè)計(jì)為50歐姆。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆,頻帶75歐姆,對絞線(差分)為85-100歐姆。

阻抗匹配(Impedance matching)其實(shí)是微波電子學(xué)里的一部分,主要用于傳輸線上,是為了達(dá)到所有高頻微波信號都能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的,不會(huì)有信號反射回源點(diǎn)。

大體上,阻抗匹配有兩種:

一種是通過改變阻抗力(lumped-circuit matching)

調(diào)整傳輸線(transmission line matching)

要匹配一組線路,首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化,然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。

改變阻抗力

把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來,即可增加或減少負(fù)載的阻抗值,在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度,然后才沿電阻圈走動(dòng),再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重復(fù)以上方法直至電阻值變成1,即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/p>

調(diào)整傳輸線

由負(fù)載點(diǎn)至來源點(diǎn)加長傳輸線,在圖表上的圓點(diǎn)會(huì)沿著圖中心以逆時(shí)針方向走動(dòng),直至走到電阻值為1的圓圈上,即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零,完成匹配。

阻抗匹配則傳輸功率大,對于一個(gè)電源來講,當(dāng)它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí),輸出功率最大,此時(shí)阻抗匹配。最大功率傳輸定理,如果是高頻的話,就是無反射波。對于普通的寬頻放大器,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(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長度,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(shí),要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射,這表明所有能量都被負(fù)載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時(shí),為了防止信號的反射,要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個(gè)大約的數(shù)字,一般規(guī)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(gè)整而已,為了匹配方便。

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