阻抗匹配電路原理與應用

田亞朋，張昌民，仲維偉

(西安電子科技大學理學院，陜西西安 710071)

信號或廣泛電能在傳輸過程中，為實現(xiàn)信號的無反射傳輸或最大功率傳輸，要求電路連接實現(xiàn)阻抗匹配［1－3］。阻抗匹配關(guān)系著系統(tǒng)的整體性能，實現(xiàn)匹配可使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。阻抗匹配的概念應用范圍廣泛，阻抗匹配常見于各級放大電路之間，放大電路與負載之間，信號與傳輸電路之間，微波電路與系統(tǒng)［4－5］的設計中，無論是有源還是無源，都必須考慮匹配問題，根本原因是在低頻電路中是電壓與電流，而高頻中是導行電磁波不匹配就會發(fā)生嚴重的反射，損壞儀器和設備。

1 阻抗匹配的基本原理

阻抗匹配是使微波電路或是系統(tǒng)的反射，載行波盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施。阻抗匹配分為兩大類:

(1)負載與傳輸線之間的阻抗匹配，使負載無反射。方法是接入匹配裝置使輸入阻抗和特性阻抗相等。

(2)信號源與傳輸線之間匹配，分為兩種情況:1)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。2)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計。

2 負載阻抗匹配方法

2.1 集總參數(shù)匹配電路

通常情況下，使用電容電感實現(xiàn)阻抗匹配，在比較低的頻段使用變壓器實現(xiàn)匹配，也可以采用L形、π形、T形實現(xiàn)匹配電路，這類電路體積小、結(jié)構(gòu)簡單、應用廣泛。

2.1.1 變壓器

主要實現(xiàn)低頻段，隨著工作頻段的升高，這類電路的應用越來越少。傳輸線變壓器可以實現(xiàn)寬帶阻抗變換，實現(xiàn)4∶1和1∶4工作模式如圖1和圖2所示。

圖1 4∶1 變換

圖2 1∶4 變換

可以實現(xiàn)平衡和非平衡的變換，尤其在電視機外接天線到同軸線輸入端口的連接中得到應用。

2.1.2 L形匹配電路

這類電路具有線路簡潔和成本較低的優(yōu)點，缺點是窄帶電路。由于要考慮匹配和功率的損耗，盡量使用電感和電容性的元件，因此共有8種基本的電路可供選擇。要設計合理的匹配電路就要選擇合適的電容電抗元件參數(shù)，計算元件參數(shù)有兩類方法:通過阻抗直接計算和通過史密斯圓圖。前者的優(yōu)點是計算精確且適合計算機計算，后者是一種直觀有效的設計，可以充分合理地選擇最優(yōu)性能?，F(xiàn)在可以通過使用計算機和功能強大的軟件直接設計。

圖3 L形匹配電路

2.1.3 T形和π形電路

這類電路可以實現(xiàn)電路的品質(zhì)因數(shù)的調(diào)節(jié)，靈活性更高。多元件的匹配電路設計能降低電路的品質(zhì)因數(shù)，卻可以提高頻帶寬度。

圖5 T型匹配網(wǎng)絡

2.2 分布式參數(shù)元件電路匹配

(1)混合型匹配電路(中低頻)這類電路設計中盡量的少用電感元件，因為它有較高的電阻損耗且寄生參數(shù)也很嚴重。設計中多使用電容元件的并聯(lián)和傳輸線可以完成設計要求。

(2)單分支匹配電路并聯(lián)單分支電路由一段串聯(lián)的傳輸線和一段并聯(lián)的終端開路或短路傳輸線構(gòu)成，設計時通常取恒定的傳輸線的特性阻抗，通過調(diào)節(jié)傳輸線的長度，進行阻抗匹配設計。

(3)雙分支匹配電路這類匹配電路更易于實現(xiàn)匹配阻抗的調(diào)節(jié)，只是設計有點復雜。

2.3 噪聲匹配電路

熱噪聲:在電阻中電子的無規(guī)律波動將隨溫度的上升而增加

散粒噪聲:由直流電流I0的隨機變化產(chǎn)生，尤其是與載流的有源器件有關(guān)

放大器的總熱噪輸出功率

存在級聯(lián)放大器特性

可以看出第一級噪聲的影響最大。

當RS=RS0時，F(xiàn)=Fmin噪聲電路匹配。

圖6 噪聲匹配電路

3 各匹配電路分析

表1 集總參數(shù)元件的匹配電路比較

表2 分布參數(shù)匹配電路比較

4 結(jié)束語

無論是精心設計的集總參數(shù)電路還是微波電路，需認清特征，如果阻抗值要提高，用串聯(lián)方式。如果阻抗值要降低，則使用并聯(lián)方式，兩個電抗要有相反的類型，且要產(chǎn)生諧振。14頻率低端，多采用集總參數(shù)匹配電路，L形匹配電路是最簡潔的設計，也是低端的首選。

如果電路設計中要求品質(zhì)因數(shù)，可以使用T形或者π形匹配電路，因為這類電路的品質(zhì)因數(shù)可調(diào)，不過也要考慮多級匹配電路，達到電路的頻率響應。使用多級匹配電路設計更靈活，可以滿足電路的寬帶需要。分布參數(shù)匹配電路，使用在中高頻段，若介于集總和分布之間的話，最好采用混合匹配電路。若使用雙分支電路不能滿足要求，可以考慮多級匹配電路。電路的匹配設計不是單一的，要綜合考慮偏置電路、反饋電路和頻率調(diào)節(jié)電路的相互連接，要反復進行設計和修改，最終達到滿意效果。

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