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阻抗匹配

时间:2018-05-28
 

     使输出阻抗 与负载匹配
     大多数涉及波形发生器(脉冲发生器,射频发射机等等)的场合均需利用传输线,一般是通过同轴电缆把能量从信号源传输至被激励器件的输人端口。这些都是考虑阻抗匹配的重要典型情况。此外,还有许多频率较低的场合,如音频放大器驱动扬声器和其他的一些机电变换器,也都需要利用阻抗匹配实现高效率的功率传输、得到合适的阻尼等等。

从发生器到负载RL的最大功率传输条件

      如果信号源具有RΩ的纯电阻输出阻抗,那么,使负载或后接设备的输入阻抗也等于RΩ就实现了阻抗匹配(暂时忽略以下即将讨论的连接电缆影响)。可以证明,这个匹配条件对于向负载传输最大功率是必须的。
      如果信号源的输出阻抗包含电抗(Zout=Ro+jXo), 那么可定义两种所谓的匹配条件。第一种匹配条件是镜像匹配,这种情况在负载阻抗也等于Ro+jXo时发生;第二种匹配条件是实现最大功率传输,也就是所谓的共轭匹配或功率匹配,这种匹配往往更加需要。共轭匹配如图所示,使负载电阻等于源电阻、负载电抗幅度等于源电抗幅度但符号相反,即ZL=Ro-jXo。电路总阻抗相加,Xo和XL抵消为零,只留下Ro。这个条件等效于令电路串联谐振,因此,电阻Ro和RL匹配,得到最大功率传输。
      仪器的互连
      当连接射频信号或其他交流信号时很少使用敞开的导线。因为它产生福射,从而损失能量,产生边缘场,系统也产生并检拾干扰。导线之间和周围物体之间的电容效应也可能产生一些严重的不利影响。通常,使用固定阻抗的连接器和同轴电缆或波导之类的传输线来传输能量更加有效和可以预测。为了正确使用仪器,必须考虑这些传输线对阻抗的影响。
      在音频应用中,不必使用上述传输线,通常采用扭绞线对。在如此低的频率,导线对阻抗的影响非常小,因此可以认为输出阻抗和负载阻抗匹配良好而忽略互连导线的影响。
      传输线的影响——匹配条件
      一切传输线都有一个称为“特性阻抗”Zo的基本参数,特性阻抗决定了传输线的阻抗电平。这个特性阻抗可以定义为一根理想无限长传输线的输人阻抗。理解此概念的一个有益方法是考虑将信号馈入延伸至无穷远的传输线的一端。由于电信号具有有限的传播时间,从传输线输入端出发的任何信号永远达不到另一端。这样,发生器决不“知道”传输线另一端的负载等于多少。这样,便提出了一个问题,即“如果发生器输出电压已知,那么,传输线起始处的电流为多大?”这个电流由该传输线的串联电感和并联电容确定。决定这个电压、电流关系的附抗称为“特性阻抗”。在传输线最有用的频率范围,这个阻抗非常接近于一个数值较小的恒定电阻,其值一般为25 〜600Ω。
      最常用的传输线系统具有50Ω的特性阻抗,因此叫做“50Ω系统”,例如RG8/U 和RG58/U常用同轴电缆。还经常遇到75Ω系统,偶尔碰到93Ω系统。特性阻抗为Zo的传输线如果端接以阻抗Zo,则它的输入阻抗也将为Zo。例如,50Ω传输线在另外一端连接50Ω电阻,不论传输线多长,它的输人阻抗都将是50Ω。
      大多数带有高频分量的信号源输出阻抗都近似等于50Ω电阻。如果将这种信号源连接到50Ω负载,只需使用一根50Ω的连接电缆就可简单地实现系统的匹配。在其他情况下,可望采用串联电抗、阻抗变换器或其他阻抗匹配技术将负载阻和(或)源阻抗变换到与常用传输线阻抗相匹配的数值。
      电信号在传输线上传输需花费有限时间,于是,必须考虑信号传播的延迟时间。 对于大多数同轴电缆,传播速度近似为在自由空间中光速的三分之二,其值大约是2 X108 m/s。这意味着每100英尺电缆的传播时间大约为0.16μs=160 ns(信号在这根电缆上传播100英尺费时160ns)。
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