阻抗匹配是無線電技術(shù)中常見的一種工作狀態(tài),它反映了輸入電路與輸出電路之間的功率傳輸關(guān)系。當(dāng)電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配時(shí),將獲得最大的功率傳輸。反之,當(dāng)電路阻抗失配時(shí),不但得不到最大的功率傳輸,還可能對(duì)電路產(chǎn)生損害。
阻抗匹配常見于各級(jí)放大電路之間、放大器與負(fù)載之間、測(cè)量儀器與被測(cè)電路之間、天線與接收機(jī)或發(fā)信機(jī)與天線之間,等等。例如,擴(kuò)音機(jī)的輸出電路與揚(yáng)聲器之間必須做到阻抗匹配,不匹配時(shí),擴(kuò)音機(jī)的輸出功率將不能全部送至揚(yáng)聲器。如果揚(yáng)聲器的阻抗遠(yuǎn)小于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗,擴(kuò)音機(jī)就處于過載狀態(tài),其末級(jí)功率放大管很容易損壞。反之,如果揚(yáng)聲器的阻抗高于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗過多,會(huì)引起輸出電壓升高,同樣不利于擴(kuò),音機(jī)的工作,聲音還會(huì)產(chǎn)生失真.因此擴(kuò)音機(jī)電路的輸出阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗越接近越好。
又例如,無線電發(fā)信機(jī)的輸出阻抗與饋線的阻抗、饋線與天線的阻抗也應(yīng)達(dá)到一致。如果阻抗值不一致,發(fā)信機(jī)輸出的高頻能量將不能全部由天線發(fā)射出去。這部分沒有發(fā)射出去的能量會(huì)反射回來,產(chǎn)生駐波,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起饋線的絕緣層及發(fā)信機(jī)末級(jí)功放管的損壞。為了使信號(hào)和能量有效地傳輸,必須使電路工作在阻抗匹配狀態(tài),即信號(hào)源或功率源的內(nèi)阻等于電路的輸人阻抗,電路的輸出阻抗等于負(fù)載的阻抗。在一般的輸入、輸出電路中常含有電阻、電容和電感元件,由它們所組成的電路稱為電抗電路,其中只含有電阻的電路稱為純電阻電路.
下面對(duì)純電阻電路和電抗電路的阻抗匹配問題分別進(jìn)行簡要的分。1、純電阻電路在中學(xué)物理電學(xué)中曾講述這樣一個(gè)問題:把一個(gè)電阻為R的用電器,接在一個(gè)電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻為r的電池組上(見圖1),在什么條件下電源輸出的功率最大呢?當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時(shí),電源對(duì)外電路輸出的功率最大,這就是純電阻電路的功率匹配。假如換成交流電路,同樣也必須滿足R=r這個(gè)條件電路才能匹配。
2、電抗電路電抗電路要比純電阻電路復(fù)雜,電路中除了電阻外還有電容和電感.元件,并工作于低頻或高頻交流電路。在交流電路中,電阻、電容和電感對(duì)交流電的阻礙作用叫阻抗,用字母Z表示.其中,電容和電感對(duì)交流電的阻礙作用,分別稱為容抗及和感抗而.容抗和感抗的值除了與電容和電感本身大小有關(guān)之外,還與所工作的交流電的頻率有關(guān)。值得注意的是,在電抗電路中,電阻R,感抗而與容抗雙的值不能用簡單的算術(shù)相加,而常用阻抗三角形法來計(jì)算(見圖 2)。
因而電抗電路要做到匹配比純電阻電路要復(fù)雜一些,除了輸入和輸出電路中的電阻成分要求相等外,還要求電抗成分大小相等符號(hào)相反(共軛匹配);或者電阻成分和電抗成分均分別相等(無反射匹配)。這里指的電抗X即感抗XL和容抗XC之差(僅指串聯(lián)電路來講,若并聯(lián)電路則計(jì)算更為復(fù)雜)。滿足上述條件即稱為阻抗匹配,負(fù)載即能得到最大的功率。阻抗匹配的關(guān)鍵是前級(jí)的輸出阻抗與后級(jí)的輸入阻抗相等。而輸入阻抗與輸出阻抗廣泛存在于各級(jí)電子電路、各類測(cè)量儀器及各種電子元器件中。那么什么是輸入阻抗和輸出阻抗呢?輸入阻抗是指電路對(duì)著信號(hào)源講的阻抗.如圖3所示的放大器,它的輸入阻抗就是去掉信號(hào)源E及內(nèi)電阻r時(shí),從AB兩端看進(jìn)去的等效阻抗。其值為Z=UI/I1,即輸入電壓與輸入電流之比。對(duì)于信號(hào)源來講,放大器成為其負(fù)載.從數(shù)值上看,放大器的等效負(fù)載值即為輸入阻抗值。輸入阻抗值的大小,對(duì)于不同的電路要求不一樣。例如:萬用表中電壓擋的輸入阻抗(稱為電壓靈敏度)越高,對(duì)被測(cè)電路的分流就越小,測(cè)量誤差也就小.而電流擋的輸入阻抗越低,對(duì)被測(cè)電路的分壓就越小,因而測(cè)量誤差也越小。
對(duì)于功率放大器,當(dāng)信號(hào)源的輸出阻抗與放大電路的輸入阻抗相等時(shí)即稱阻抗匹配,這時(shí)放大電路就能在輸出端獲得最大功率。輸出阻抗是指電路對(duì)著負(fù)載講的阻抗。如圖4中,將電路輸入端的電源短路,輸出端去掉負(fù)載后,從輸出端CD看進(jìn)去的等效阻抗稱為輸出阻抗。如果負(fù)載阻抗與輸出阻抗不相等,稱阻抗不匹配,負(fù)載就不能獲得最大的功率輸出。
輸出電壓U2和輸出電流I2之比即稱為輸出阻抗。輸出阻抗的大小視不同的電路有不同的要求。例如:電壓源要求輸出阻抗要低,而電流源的輸出阻抗要高。對(duì)于放大電路來講,輸出阻抗的值表示其承擔(dān)負(fù)載的能力。通常輸出阻抗小,承擔(dān)負(fù)載的能力就強(qiáng)。如果輸出阻抗與負(fù)載不能匹配時(shí),可加接變壓器或網(wǎng)絡(luò)電路來達(dá)到匹配.例如:晶體管放大器與揚(yáng)聲器之間通常接有輸出變壓器,放大器的輸出阻抗與變壓器的初級(jí)阻抗相匹配,變壓器的次級(jí)阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗相匹配.而變壓器通過初次級(jí)繞組的匝數(shù)比來變換阻抗比。在實(shí)際的電子電路中,常會(huì)遇到信號(hào)源與放大電路或放大電路與負(fù)載的阻抗不相等的情況,因而不能把它們直接相連.解決的辦法是在它們之間加入一個(gè)匹配電路或匹配網(wǎng)絡(luò)。最后要說明一點(diǎn),阻抗匹配僅適用于電子電路。因?yàn)殡娮与娐分袀鬏數(shù)男盘?hào)功率本身較弱,需用匹配來提高輸出功率。而在電工電路中一般不考慮匹配,否則會(huì)導(dǎo)致輸出電流過大,損壞用電器。
阻抗匹配概念阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對(duì)于不同特性的電路,匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中,當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí),則輸出功率為最大,這種工作狀態(tài)稱為匹配,否則稱為失配。從電磁波的原理上看,電波只有在相同的介質(zhì)中傳播沒有反射,當(dāng)經(jīng)過介質(zhì)的邊界時(shí)電磁波會(huì)發(fā)生部分反射現(xiàn)象,兩邊介質(zhì)的介電常數(shù)差距越大反射就會(huì)越大,反射會(huì)造成很多電路問題:損耗、噪聲、功率返回?zé)龤骷鹊?。說回來,不同的介質(zhì)就意味著阻抗不同,電路里傳導(dǎo)的電磁波就會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象,所以阻抗匹配就阻抗相等,就是讓兩邊沒有電磁波的反射。阻抗匹配是為了保證能量傳輸損耗最小,匹配就是上一級(jí)電路的內(nèi)電阻要等于下一級(jí)電路的輸入電阻。可以分為低頻和高頻兩種情況理解。
1、低頻低頻領(lǐng)域可以用電工原理的理論,我們知道現(xiàn)實(shí)世界是不存在理想電源的,電源都有內(nèi)電阻,在能量傳輸過程中,內(nèi)阻本身也要消耗能量,這就是全電路歐姆定律闡明的原理:電源電動(dòng)勢(shì)E=I*(R+r),其中I是電流,R是負(fù)載電阻,r是電源內(nèi)阻,而功率P=U*I,=I*I*R,通過計(jì)算就可以得出只有R=r時(shí),負(fù)載獲得的功率最大,這就是電子電路設(shè)計(jì)要求阻抗匹配的原因。
2、高頻在高頻領(lǐng)域,以上的原理照樣適用,只是阻抗的計(jì)算比較復(fù)雜,高頻的性質(zhì)是電磁波,它具有波的特性,要用電磁波傳輸理論來設(shè)計(jì)電路。在傳輸過程中要盡量減少信號(hào)反射,就要考慮傳輸介質(zhì)的材料特性、機(jī)械形狀、尺寸等一系列參數(shù),阻抗值實(shí)際是“波阻抗”,是一種等效阻抗。如75歐高頻電纜與50歐高頻電纜的機(jī)械尺寸不同,波阻抗就不同,用萬用表是無法測(cè)量的。
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原文標(biāo)題:理解阻抗匹配和阻抗變換
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