阻抗匹配

 

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。

阻抗匹配主要有两点作用，调整负载功率和抑制信号反射。

{扩展：我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为：

P = I2×R=[U/(R+r)]2×R = U2×R/(R2+2×R×r+r2)

= U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

= U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R]，当R=r时，[(R-r)2/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。}

如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。

在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配）时，在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。

　

信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。否则，便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。

阻抗匹配（Impedance matching）是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配。

阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有两个，一是改变组抗力，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。

阻抗匹配的应用

● 功放与音箱

● PCB走线

● 天线设计

● 终端匹配电阻

参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/34061689

　阻抗不匹配有什么后果

**如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？

a. 如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；

b. 会在传输线上形成驻波（简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱），导致传输线的有效功率容量降低；

c. 功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。

d. 如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。

　　阻抗不匹配的后果有很多，主要举例说明一下阻抗不匹配在数字电路中产生的后果。

　　1、数字信号在接收器件的输入端和发送器件的输出端来回反射。反射的信号在两边来回反弹直至最终完全被电阻所吸收。

　　2、反射信号引入振铃信号沿着走线传播。振铃影响了信号的电压和时序，并严重影响了信号质量。

　　3、一个不匹配的信号通路会导致信号辐射到环境中去。

　　

　　由于阻抗不匹配产生的问题可以通过使用终端来减少。终端通常是一个或两个放置在信号线接收器附近的分立元件。一个简单的例子，终端是一个低值的串连电阻。

　　终端抑制了信号的上升时间，并吸收了部分反射能源。特别是要注意到，终端并不能完全消除由于阻抗不匹配而产生的破坏性的影响。但是通过仔细选择的配置和元件的值，一个终端可以非常有效地控制了信号完整性的效果。

　　并非所有的信号线都需要阻抗控制。一些标准，如Compact PCI需要特定的走线阻抗和（或）终端电阻。通过制订阻抗的要求，这些标准对减少反射，振铃和信号线的辐射是相当有效的。

　　其他标准没有对阻抗控制有具体的要求，留给设计者决定是否需要加阻抗控制。而决定的结果随设计的不同而不同，但它往往取决于信号线的长度（信号线延迟Td）和信号的上升时间（ Tr）。一个经常使用的规则是，当Td大于Tr的1/6的时候就对阻抗控制有要求了。

阻抗不匹配对信号影响

　　阻抗不匹配信号会出现很多谐波，阻抗匹配概念很广，但是从你说产生谐波的角度来说，我认为你是想知道高速信号链阻抗匹配的概念的，论述如下。

　　1、无论是什么频率的信号，收发两端阻抗匹配都会使得下一级接收到最大功率，这是显然的。

　　2、对于低频信号，阻抗匹配的概念用处不大。这些我亲自侧过，只要上下级的负载均在彼此的适配范围内，毫无压力，信号会完好无损，不用考虑太多。

　　3、对于高频信号，由于信号频率升高之后，各类元件的高频效应显现，各类元件开始表现出频率响应，甚至局部会出现谐振。一方面，信号的谐波是普遍存在的，只是功率和信号相比非常小，有时元件的频率响应会对信号的某次谐波产生谐振效应，从而将一部分谐波能量放大，产生给类谐波。另一方面，由于元件在高频会出现频响的非线性，这回导致各类谐波甚至加减谐波的出现。阻抗匹配可以使得前后级的阻抗为纯阻性（消除了电抗的影响），使得信号能够无损传输。

　　4、对于射频甚至微波信号，电路信号根本就不是集总的，需要通过偏微分方程（而非常微分方程）来描述。这时，元器件的尺寸会彻底改变元器件的频响，必须要进行阻抗匹配，因为哪怕是连线的尺寸都会使得联线表现出电抗特性，且没点电抗特性不同。否则即使在理想状态下，也会发生反射现象，使得信号链路上出现各类谐波。

　　5、综上，阻抗匹配在低频时意义不大，但高频到射频上非常有必要；另外，阻抗匹配是作为一个电子工程师应该有的必备素养，很多时候哪怕是不必要的，也应该脑袋里时刻记着这么个事情，这是近些年来电赛模拟部分的一个考察点。 低频时，关心的是传输的波形；高频甚至射频时，同时也要关心传递的功率。

当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢？

第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换

第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用。

第三，可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配，例如高速信号线，有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高，可以使用并联电阻的方法，来跟传输线匹配，例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。