阻抗匹配是無線電技術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系。當電路實現(xiàn)阻抗匹配時,將獲得最大的功率傳輸。
反之,當電路阻抗失配時,不但得不到最大的功率傳輸,還可能對電路產(chǎn)生損害。阻抗匹配常見于各級放大電路之間、放大器與負載之間、測量儀器與被測電路之間、天線與接收機或發(fā)信機與天線之間,等等。例如,擴音機的輸出電路與揚聲器之間必須做到阻抗匹配,不匹配時,擴音機的輸出功率將不能全部送至揚聲器。
如果揚聲器的阻抗遠小于擴音機的輸出阻抗,擴音機就處于過載狀態(tài),其末級功率放大管很容易損壞。反之,如果揚聲器的阻抗高于擴音機的輸出阻抗過多,會引起輸出電壓升高,同樣不利于擴,音機的工作,聲音還會產(chǎn)生失真.因此擴音機電路的輸出阻抗與揚聲器的阻抗越接近越好。
又例如,無線電發(fā)信機的輸出阻抗與饋線的阻抗、饋線與天線的阻抗也應達到一致。如果阻抗值不一致,發(fā)信機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)射出去的能量會反射回來,產(chǎn)生駐波,嚴重時會引起饋線的絕緣層及發(fā)信機末級功放管的損壞。為了使信號和能量有效地傳輸,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載的阻抗。
測試電壓
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.下面對純電阻電路和電抗電路的阻抗匹配問題分別進行簡要的分。
1、純電阻電路
在中學物理電學中曾講述這樣一個問題:把一個電阻為R的用電器,接在一個電動勢為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?當外電阻等于內(nèi)電阻時,電源對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之外,還與所工作的交流電的頻率有關。
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相加,而常用阻抗三角形法來計算(見圖 2)。因而電抗電路要做到匹配比純電阻電路要復雜一些,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)電路則計算更為復雜)。
滿足上述條件即稱為阻抗匹配,負載即能得到最大的功率。阻抗匹配的關鍵是前級的輸出阻抗與后級的輸入阻抗相等。而輸入阻抗與輸出阻抗廣泛存在于各級電子電路、各類測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著信號源講的阻抗.如圖3所示的放大器,它的輸入阻抗就是去掉信號源E及內(nèi)電阻r時,從AB兩端看進去的等效阻抗。其值為Z=UI/I1,即輸入電壓與輸入電流之比。對于信號源來講,放大器成為其負載.從數(shù)值上看,放大器的等效負載值即為輸入阻抗值。輸入阻抗值的大小,對于不同的電路要求不一樣。
電子設備的修復
例如:萬用表中電壓擋的輸入阻抗(稱為電壓靈敏度)越高,對被測電路的分流就越小,測量誤差也就小.而電流擋的輸入阻抗越低,對被測電路的分壓就越小,因而測量誤差也越小。
對于功率放大器,當信號源的輸出阻抗與放大電路的輸入阻抗相等時即稱阻抗匹配,這時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著負載講的阻抗。如圖4中,將電路輸入端的電源短路,輸出端去掉負載后,從輸出端CD看進去的等效阻抗稱為輸出阻抗。如果負載阻抗與輸出阻抗不相等,稱阻抗不匹配,負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。對于放大電路來講,輸出阻抗的值表示其承擔負載的能力。通常輸出阻抗小,承擔負載的能力就強。
如果輸出阻抗與負載不能匹配時,可加接變壓器或網(wǎng)絡電路來達到匹配.例如:晶體管放大器與揚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阻抗相匹配,變壓器的次級阻抗與揚聲器的阻抗相匹配.而變壓器通過初次級繞組的匝數(shù)比來變換阻抗比。
在實際的電子電路中,常會遇到信號源與放大電路或放大電路與負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匹配電路或匹配網(wǎng)絡。
最后要說明一點,阻抗匹配僅適用于電子電路。因為電子電路中傳輸?shù)男盘柟β时旧磔^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,否則會導致輸出電流過大,損壞用電器。
阻抗匹配概念
阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內(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(nèi)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。
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,當經(jīng)過介質(zhì)的邊界時電磁波會發(fā)生部分反射現(xiàn)象,兩邊介質(zhì)的介電常數(shù)差距越大反射就會越大,反射會造成很多電路問題:損耗、噪聲、功率返回燒毀器件等等。
說回來,不同的介質(zhì)就意味著阻抗不同,電路里傳導的電磁波就會產(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,匹配就是上一級電路的內(nèi)電阻要等于下一級電路的輸入電阻??梢苑譃榈皖l和高頻兩種情況理解。
1、低頻
低頻領域可以用電工原理的理論,我們知道現(xiàn)實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:電源電動勢E=I*(R+r),其中I是電流,R是負載電阻,r是電源內(nèi)阻,而功率P=U*I,=I*I*R,通過計算就可以得出只有R=r時,負載獲得的功率最大,這就是電子電路設計要求阻抗匹配的原因。
2、高頻
在高頻領域,以上的原理照樣適用,只是阻抗的計算比較復雜,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計電路。在傳輸過程中要盡量減少信號反射,就要考慮傳輸介質(zhì)的材料特性、機械形狀、尺寸等一系列參數(shù),阻抗值實際是“波阻抗”,是一種等效阻抗。如75歐高頻電纜與50歐高頻電纜的機械尺寸不同,波阻抗就不同,用萬用表是無法測量的。
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