阻抗匹配(impedance matching) 主要用于傳輸線上，以此來達到所有高頻的微波信號均能傳遞至負載點的目的，而且?guī)缀醪粫行盘柗瓷浠貋碓袋c，從而提升能源效益。信號源內阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配。

阻抗匹配技術最早應用在電氣工程領域，隨后的發(fā)展使其應用不再局限于此，而是廣泛應用在涉及能量從源端傳輸到負載端的領域之中，比如聲學系統(tǒng)、光學系統(tǒng)以及機械系統(tǒng)。在射頻電路領域，阻抗匹配技術具有更重要的意義。射頻功率放大器是通信器材中的核心部件，其作用是對射頻功率信號進行放大。晶體管是射頻功放的核心，是功率電子的重要基礎，其輸入輸出阻抗的值只有幾歐姆，但是通常的射頻系統(tǒng)的標準阻抗是50 Ω。為了獲得更好的功率傳輸性能，晶體管輸入輸出的阻抗值要匹配到標準阻抗50Ω。阻抗匹配網絡的目的是為了解決功率傳輸時阻抗不匹配的問題，可以通過集總參數元件(比如電容、電感)或者分布參數元件(微帶線)來實現，前者主要用于較低頻率，后者主要用于更高的頻率。在阻抗匹配電路的設計中，較為重要的因素是帶寬和匹配網絡的品質。 [1]

阻抗匹配的通常做法是在源和負載之間插入一個無源網絡，使負載阻抗與源阻抗共軛匹配，該網絡也被稱為匹配網絡。阻抗匹配的主要作用通常有以下幾點：從源到器件、從器件到負載或器件之間功率傳輸最大;提高接收機靈敏度(如LNA前級匹配);減小功率分配網絡幅相不平衡度;獲得放大器理想的增益、輸出功率(PA輸出匹配)、效率和動態(tài)范圍;減小饋線中的功率損耗。

輸入端阻抗匹配時，傳輸線獲得最大功率;在輸出端阻抗匹配的情況下，傳輸線上只有向終端行進的電壓波和電流波，攜帶的能量全部為負載所吸收。

匹配條件

①負載阻抗等于信源內阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時在負載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。

②負載阻抗等于信源內阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時在負載阻抗上可以得到最大功率。這種匹配條件稱為共軛匹配。如果信源內阻抗和負載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。

阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內阻時，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。

當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內阻必須滿足共軛關系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共軛匹配。

阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學里的一部分，主要用于傳輸線上，來達到所有高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的，不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。史密夫圖表上。電容或電感與負載串聯起來，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉180度。重覆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>

實現匹配

大體上，阻抗匹配有兩種，一種是通過改變阻抗力(lumped-circuit matching)，另一種則是調整傳輸線的波長(transmission line matching)。

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

1. 改變阻抗力

把電容或電感與負載串聯起來，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉180度。重復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>

2. 調整傳輸線

由負載點至來源點加長傳輸線，在圖表上的圓點會沿著圖中心以逆時針方向走動，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整為零，完成匹配。

阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個直流電源來講，阻抗匹配時輸出效率只有50%。并且電源以對外輸出最大功率為目標，不適用阻抗匹配的條件。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遠大于電纜長度，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，要求負載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時的傳輸不會產生反射，這表明所有能量都被負載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時，為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個大約的數字，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,只是取個整而已，為了匹配方便。

阻抗匹配電路評價標準

在評價阻抗匹配電路的優(yōu)劣時，會使用到如下參數指標：回波損耗、失配因子、失配損耗、品質因數和帶寬?；夭〒p耗又稱為反射損耗，單位為dB，反映了由于阻抗不匹配所產生的功率反射的量，可表示為：

其中：

為由于阻抗不匹配造成的反射功率;

為信號源輸送給匹配網絡的入射功率，與負載阻抗無關。此外，射頻問題經常會運用微波網絡的觀點進行分析，回波損耗也可以用一端口的反射系數表示，當回波損耗的值低于-10dB時，表示入射功率有90%被負載網絡所吸收，可以認為達到了匹配網絡的設計目標。失配因子和失配損耗是衡量阻抗匹配網絡失配程度的物理量，失配因子為負載吸收的功率與入射功率的比值;失配損耗為失配因子的對數形式。如果負載吸收的功率是入射功率的90%，那么失配因子為0.9，失配損耗為0.45dB。在設計阻抗匹配電路時，經常會使用到品質因數的概念。對并聯電路來說，品質因數可以表示為Q=BP/GP，其中，BP為并聯電路中的電納，GP為并聯電路中的電導。對串聯電路來說，品質因數可表示為Q=XS/RS，其中，XS為串聯電路中的電抗，RS為串聯電路中的電阻。品質因數對阻抗匹配電路具有重要意義，因為品質因數和帶寬BW之間具有下列關系：BW=W/Q。表明：當品質因數Q很高時，BW會很小，此時適合設計窄帶的阻抗匹配網絡。如果要設計寬帶的阻抗匹配網絡，必須保證阻抗匹配網絡的品質因數較低。

阻抗匹配電路設計

在阻抗匹配的設計方法中，思路最簡單的就是解析法，通過建立阻抗變換的關系式，最終求解所需要的電容和電感。其缺點是計算量較大，當匹配元件增多時，需要計算機輔助計算。

使用諧振法設計阻抗匹配電路時，將輸入阻抗(呈電感性)由串聯電路的形式轉換為并聯的形式，然后并聯一個電容性的元件和等效的并聯電感產生諧振，接著交替用串聯電感和并聯電容形成低通濾波結構。通過這種方式，輸入阻抗的實部逐步提高，直至變換到系統(tǒng)標準阻抗。

在高頻情況下，集總電感元件的寄生效應突出，分布參數不穩(wěn)定，較少被使用。此時微帶線以其特有的分布參數穩(wěn)定、結構簡單的特點，廣泛地應用在射頻電路的設計中。根據微帶線的特性阻抗和電長度可計算出實際微帶線的長度和寬度。 [1]

應用

中壓配電網阻抗匹配

中壓配網電力載波通信技術是利用中壓配電線路作為通信信道進行數據傳輸的一種通信方式，該技術不需專 設通信信道，運行費用和維護成本相對較低，擁有得天獨厚的優(yōu)勢，其在配電自動化中的巨大作用也備受關注。 然而由于中壓配電網電力線信道拓撲結構復雜、負荷時變，使得信道的輸入阻抗呈現較大的差異，在通信過程中引起嚴重的阻抗失配問題，從而嚴重影響通信質量。 因此改善通信質量的方法就是中壓配電網阻抗匹配，現有的單節(jié)點電力線阻抗匹配方法分為兩類，一類是基于智能算法求取阻抗匹配參數，一類是通過設計耦合電路實現阻抗匹配。其中，基于智能優(yōu)化的算法能獲得較好匹配，并且有較高的可靠性，但是建模復雜，迭代時間長，需要專門的數字處理器，優(yōu)化結果對初值依賴性較強，容易陷入局部最優(yōu)。 而設計耦合電路法實際應用較多，主要通 過改變匹配網絡的結構及參數值來進行阻抗匹配，但匹配精度稍差，適用范圍存在一定局限性。 [3]

聲表濾波器的阻抗匹配

隨著移動通信的快速發(fā)展，聲表濾波器的應用范圍不斷擴展，由于系統(tǒng)應用的深入，對聲表濾波器的性能也提出了更高的要求。然而，在實際的射頻電路應用中，出于性能運用的考慮，設計者通常將聲表濾波器設計成不同的形式，將聲表濾波器看作是一個網絡，其對應的輸入、輸出就是兩個端口，在實際電路中，聲表濾波器需要與外部電路進行阻抗匹配，從而達到電路期望的性能。

怎樣理解阻抗匹配

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。

我們先從直流電壓源驅動一個負載入手。由于實際的電壓源，總是有內阻的，我們可以把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯的模型。假設負載電阻為R，電源電動勢為U，內阻為r，那么我們可以計算出流過電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負載電阻R越小，則輸出電流越大。負載R上的電壓為：Uo=IR=U*[1+(r/R)]，可以看出，負載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來計算一下電阻R消耗的功率為：

P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)

=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r]

=U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}

對于一個給定的信號源，其內阻r是固定的，而負載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，當R=r時，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，當負載電阻跟信號源內阻相等時，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。對于純電阻電路，此結論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時，結論有所改變，就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等，虛部互為相反數，這叫做共厄匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負載之間的情況，因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮(可以這么理解：因為線短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的)。從以上分析我們可以得出結論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負載R;如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負載R;如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內阻匹配的電阻R。有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來的性能，這時我們也會叫做阻抗失配。

在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不匹配(相等)時，在負載端就會產生反射。為什么阻抗不匹配時會產生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結構以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75歐，而一些射頻設備上則常用特征阻抗為50歐的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300歐的扁平平行線，這在農村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。

因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為75歐，所以300歐的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢?不知道大家有沒有留意到，電視機的附件中，有一個300歐到75歐的阻抗轉換器(一個塑料包裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大的)?它里面其實就是一個傳輸線變壓器，將300歐的阻抗，變換成75歐的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強調一點的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關，也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產生反射，負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢?如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率;會在傳輸線上形成駐波(簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱)，導致傳輸線的有效功率容量降低;功率發(fā)射不出去，甚至會損壞發(fā)射設備。如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時，會產生震蕩，輻射干擾等。

當阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢?第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉換，就像上面所說的電視機中的那個例子那樣。第二，可以考慮使用串聯/并聯電容或電感的辦法，這在調試射頻電路時常使用。第三，可以考慮使用串聯/并聯電阻的辦法。一些驅動器的阻抗比較低，可以串聯一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數據線終端并聯120歐的匹配電阻。

為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設你在練習拳擊——打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會受不了了——這就是負載過重的情況，會產生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會撲空，手也可能會受不了——這就是負載過輕的情況。另一個例子，不知道大家有沒有過這樣的經歷：就是看不清樓梯時上/下樓梯，當你以為還有樓梯時，就會出現“負載不匹配”這樣的感覺了。當然，也許這樣的例子不太恰當，但我們可以拿它來理解負載不匹配時的反射情況。

總結

電磁波傳輸電路必須考慮其阻抗匹配問題，只有實現了輸出阻抗與負載阻抗“完美”的匹配，才能實現電磁波信號的無反射傳輸，實現最大功率化利用。如果電磁波傳輸電路中出現不匹配就會引起嚴重的反射，這樣傳輸線上將形成駐波，大量的功率浪費在反射功率上，同時因反射功率過大將造成元器件的損壞，使得發(fā)射機故障率上升，也使得能量利用率降低，嚴重時無法實現調諧，發(fā)射機無法正常工作。 [4]

在進行有源電路設計時，如果不去考慮阻抗匹配而是直接把信號源與后級負載電路相連接，不僅會使負載端得不到最大功率輸出，而且還會引起 一些諸如干擾、反射等復雜的電路問題。特別是在高頻和微波電路中阻抗不匹配所帶來的問題尤為明顯，經電路傳輸的能量會反射回來產生駐波，嚴重時會引起饋線的絕緣層及發(fā)射機末級功放管的損壞。因此，需要在電源端與負載端之間設計一個阻抗匹配網絡，把負載端的阻抗轉換成與電源端阻抗相匹配的阻抗形式。電源與負載的阻抗達到匹配，這種情況下不僅可以實現最大功率傳輸，而且能夠起到減小通帶內頻率信號的相位失真。

在擁有功能強大的軟件和高速、高性能計算機的今天，人們會懷疑在解決電路基本問題的時候是否還需要這樣一種基礎和初級的方法。

實際上，一個真正的工程師不僅應該擁有理論知識，更應該具有利用各種資源解決問題的能力。在程序中加入幾個數字然后得出結果的確是件容易的事情，當問題的解十分復雜、并且不唯一時，讓計算機作這樣的工作尤其方便。然而，如果能夠理解計算機的工作平臺所使用的基本理論和原理，知道它們的由來，這樣的工程師或設計者就能夠成為更加全面和值得信賴的專家，得到的結果也更加可靠。