干貨 | 為什么要阻抗匹配？怎么進行阻抗匹配？

2021年5月20日 11:16
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什么是阻抗



在電學中，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，是一個復數Z= R+i( ωL–1/(ωC))。

具體說來阻抗可分為兩個部分，電阻（實部）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。

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阻抗匹配的理想模型



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現信號或能量從“信號源”到“負載”的有效傳送。

其最最理想模型當然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆，傳輸線的阻抗為50歐姆，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。

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然而實際情況是：源端阻抗不會是50歐姆，負載端阻抗也不會是50歐姆，這個時候就需要若干個阻抗匹配電路

而匹配電路就是由電感和電容所構成，這個時候我們就需要使用電容和電感來進行阻抗匹配電路調試，以達到RF性能最優。

阻抗匹配的方法



阻抗匹配的方法主要有兩個，一是改變阻抗力，二是調整傳輸線。

改變阻抗力就是通過電容、電感與負載的串并聯調整負載阻抗值，以達到源和負載阻抗匹配。

調整傳輸線是加長源和負載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調整為零。

此時信號不會發生發射，能量都能被負載吸收。

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


Smith圓圖在RF匹配電路調試中的應用



Smith圓圖上可以反映出如下信息： 阻抗參數Z，導納參數Y，品質因子Q，反射系數，駐波系數，噪聲系數，增益，穩定因子，功率，效率，頻率信息等抗等參數。

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是不是一臉懵，我們還是來看阻抗圓圖吧：

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阻抗圓圖的構圖原理是利用輸入阻抗與電壓反射系數之間的一一對應關系，將歸一化輸入阻抗表示在反射系數極坐標系中，其特點歸納如下：

1.上半圓阻抗為感抗，下半圓阻抗為容抗；

2.實軸為純電阻，單位圓為純電抗；

3.實軸的右半軸皆為電壓波腹點（除開路點），左半軸皆為電壓波節點（除短路點）；

4.匹配點（1，0），開路點（∞，∞）和短路點（0，0）；

5.兩個特殊圓:最大的為純電抗圓，與虛軸相切的為匹配圓；

6.兩個旋轉方向:逆時針轉為向負載移動，順時針轉為向波源移動。

導納圓圖與阻抗圓圖互為中心對稱，同一張圓圖，即可以當作阻抗圓圖來用，也可以當作導納圓圖來用，但是在進行每一次操作時，若作為阻抗圓圖用則不能作為導納圓圖。

Smith圓圖中，能表示出一些很有意思的特征：

在負載之前串聯或并聯一個可變電感/電容，電路圖如下圖左側4個圖所示，將得到Smith圓圖上右側的幾條曲線。對應Smith阻抗圓及導納圓，其運動軌跡如下：

1、使用Smith阻抗圓時，串聯電感順時針轉，串聯電容逆時針轉；

2、使用Smith導納圓時，并聯電感，逆時針轉，并聯電容順時針轉。

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