天線阻抗匹配原理.doc

阻抗匹配是無(wú)線電技術(shù)中常見(jiàn)的一種工作狀態(tài)，它反映了輸人電路與輸出電路之間的功率傳輸關(guān)系。當(dāng)電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配時(shí)，將獲得最大的功率傳輸。反之，當(dāng)電路阻抗失配時(shí)，不但得不到最大的功率傳輸，還可能對(duì)電路產(chǎn)生損害。阻抗匹配常見(jiàn)于各級(jí)放大電路之間、放大器與負(fù)載之間、測(cè)量?jī)x器與被測(cè)電路之間、天線與接收機(jī)或發(fā)信機(jī)與天線之間，等等。例如，擴(kuò)音機(jī)的輸出電路與揚(yáng)聲器之間必須做到阻抗匹配，不匹配時(shí)，擴(kuò)音機(jī)的輸出功率將不能全部送至揚(yáng)聲器。如果揚(yáng)聲器的阻抗遠(yuǎn)小于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗，擴(kuò)音機(jī)就處于過(guò)載狀態(tài)，其末級(jí)功率放大管很容易損壞。反之，如果揚(yáng)聲器的阻抗高于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗過(guò)多，會(huì)引起輸出電壓升高，同樣不利于擴(kuò)，音機(jī)的工作，聲音還會(huì)產(chǎn)生失真。因此擴(kuò)音機(jī)電路的輸出阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗越接近越好。又例如，無(wú)線電發(fā)信機(jī)的輸出阻抗與饋線的阻抗、饋線與天線的阻抗也應(yīng)達(dá)到一致。如果阻抗值不一致，發(fā)信機(jī)輸出的高頻能量將不能全部由天線發(fā)射出去。這部分沒(méi)有發(fā)射出去的能量會(huì)反射回來(lái)，產(chǎn)生駐波，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起饋線的絕緣層及發(fā)信機(jī)末級(jí)功放管的損壞。為了使信號(hào)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(hào)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(fù)載的阻抗。在一般的輸人、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(duì)純電阻電路和電抗電路的阻抗匹配問(wèn)題分別進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。1純電阻電路在中學(xué)物理電學(xué)中曾講述這樣一個(gè)問(wèn)題：把一個(gè)電阻為R的用電器，接在一個(gè)電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻為r的電池組上（見(jiàn)圖1），在什么條件下電源輸出的功率最大呢？當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時(shí)，電源對(duì)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(gè)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(fù)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(duì)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(duì)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(guān)之外，還與所工作的交流電的頻率有關(guān)。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(jiǎn)單的算術(shù)相加，而常用阻抗三角形法來(lái)計(jì)算（見(jiàn)圖 2）。因而電抗電路要做到匹配比純電阻電路要復(fù)雜一些，除了輸人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(hào)相反（共軛匹配）；或者電阻成分和電抗成分均分別相等（無(wú)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(lái)講，若并聯(lián)電路則計(jì)算更為復(fù)雜）。滿足上述條件即稱為阻抗匹配，負(fù)載即能得到最大的功率阻抗匹配的關(guān)鍵是前級(jí)的輸出阻抗與后級(jí)的輸人阻抗相等。而輸人阻抗與輸出阻抗廣泛存在于各級(jí)電子電路、各類測(cè)量?jī)x器及各種電子元器件中。那么什么是輸人阻抗和輸出阻抗呢？輸人阻抗是指電路對(duì)著信號(hào)源講的阻抗。如圖3所示的放大器，它的輸人阻抗就是去掉信號(hào)源E及內(nèi)電阻r時(shí)，從AB兩端看進(jìn)去的等效阻抗。其值為Z=UII1，即輸人電壓與輸人電流之比。對(duì)于信號(hào)源來(lái)講，放大器成為其負(fù)載。從數(shù)值上看，放大器的等效負(fù)載值即為輸人阻抗值。輸人阻抗值的大小，對(duì)于不同的電路要求不一樣。例如：萬(wàn)用表中電壓擋的輸人阻抗（稱為電壓靈敏度）越高，對(duì)被測(cè)電路的分流就越小，測(cè)量誤差也就小。而電流擋的輸人阻抗越低，對(duì)被測(cè)電路的分壓就越小，因而測(cè)量誤差也越小。對(duì)于功率放大器，當(dāng)信號(hào)源的輸出阻抗與放大電路的輸人阻抗相等時(shí)即稱阻抗匹配，這時(shí)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(duì)著負(fù)載講的阻抗。如圖4中，將電路輸人端的電源短路，輸出端去掉負(fù)載后，從輸出端CD看進(jìn)去的等效阻抗稱為輸出阻抗。如果負(fù)載阻抗與輸出阻抗不相等，稱阻抗不匹配，負(fù)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(duì)于放大電路來(lái)講，輸出阻抗的值表示其承擔(dān)負(fù)載的能力。通常輸出阻抗小，承擔(dān)負(fù)載的能力就強(qiáng)。如果輸出阻抗與負(fù)載不能匹配時(shí)，可加接變壓器或網(wǎng)絡(luò)電路來(lái)達(dá)到匹配。例如：晶體管放大器與揚(yáng)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(jí)阻抗相匹配，變壓器的次級(jí)阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗相匹配。而變壓器通過(guò)初次級(jí)繞組的匝數(shù)比來(lái)變換阻抗比。在實(shí)際的電子電路中，常會(huì)遇到信號(hào)源與放大電路或放大電路與負(fù)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人一個(gè)匹配電路或匹配網(wǎng)絡(luò)。最后要說(shuō)明一點(diǎn)，阻抗匹配僅適用于電子電路。因?yàn)殡娮与娐分袀鬏數(shù)男盘?hào)功率本身較弱，需用匹配來(lái)提高輸出功率。而在電工電路中一般不考慮匹配，否則會(huì)導(dǎo)致輸出電流過(guò)大，損壞用電器。電子管 基本電子管一般有三個(gè)極,一個(gè)陰極(K)用來(lái)發(fā)射電子,一個(gè)陽(yáng)極(A)用來(lái)吸收陰極所發(fā)射的電子,一個(gè)柵極(G)用來(lái)控制流到陽(yáng)極的電子流量.陰極發(fā)射電子的基本條件是:陰極本身必須具有相當(dāng)?shù)臒崃?陰極又分兩種,一種是直熱式,它是由電流直接通過(guò)陰極使陰極發(fā)熱而發(fā)射電子;另一種稱旁熱式陰極,其結(jié)構(gòu)一般是一個(gè)空心金屬管,管內(nèi)裝有繞成螺線形的燈絲,加上燈絲電壓使燈絲發(fā)熱從而使陰極發(fā)熱而發(fā)射電子,現(xiàn)在日常用的多半是這種電子管(如圖所示).由陰極發(fā)射出來(lái)的電子穿過(guò)柵極金屬絲間的空隙而達(dá)到陽(yáng)極,由于柵極比陽(yáng)極離陰極近得多,因而改變柵極電位對(duì)陽(yáng)極電流的影響比改變陽(yáng)極電壓時(shí)大得多,這就是三極管的放大作用.換句話說(shuō)就是柵極電壓對(duì)陽(yáng)極電流的控制作用.我們用一個(gè)參數(shù)稱跨導(dǎo)(S)來(lái)表示.另外還有一個(gè)參數(shù)來(lái)描述電子管的放大系數(shù),它的意義是說(shuō)明了柵極電壓控制陽(yáng)流的能力比陽(yáng)極電壓對(duì)陽(yáng)流的作用大多少倍. 為了提高電子管的放大系數(shù),在三極管的陽(yáng)極和控制柵極之間另外加入一個(gè)柵極稱之為簾柵極,而構(gòu)成四極管,由于簾柵極具有比陰極高很多的正電壓,因此也是一個(gè)能力很強(qiáng)的加速電極,它使得電子以更高的速度迅速到達(dá)陽(yáng)極,這樣控制柵極的控制作用變得更為顯著.因此比三極管具有更大的放大系數(shù).但是由于簾柵極對(duì)電子的加速作用,高速運(yùn)動(dòng)的電子打到陽(yáng)極,這些高速電子的動(dòng)能很大,將從陽(yáng)極上打出所謂二次電子,這些二次電子有些將被簾柵吸收形成簾柵電流,使簾柵電流上升這會(huì)導(dǎo)致簾柵電壓的下降,從而導(dǎo)致陽(yáng)極電流的下降,為此四極管的放大系數(shù)受到一定而限制. 為了解決上述矛盾,在四極管簾柵極外的兩側(cè)再加入一對(duì)與陰極相連的集射極,由于集射極的電位與陰極相同,所以對(duì)電子有排斥作用,使得電子在通過(guò)簾柵極之后在集射極的作用下按一定方向前進(jìn)并形成扁形射束,這扁形電子射束的電子密度很大,從而形成了一個(gè)低壓區(qū),從陽(yáng)極上打出來(lái)的二次電子受到這個(gè)低壓區(qū)的排斥作用而被推回到陽(yáng)極,從而使簾柵電流大大減少,電子管的放大能力得而加強(qiáng).這種電子管我們稱為束射四極管,束射四極管不但放大系數(shù)較三極管為高,而且其陽(yáng)極面積較大,允許通過(guò)較大的電流,因此現(xiàn)在的功放機(jī)常用到它作為功率放大. 電子電路中的反饋電路 反饋電路在各種電子電路中都獲得普遍的應(yīng)用,反饋是將放大器輸出信號(hào)(電壓或電流)的一部分或全部,回授到放大器輸入端與輸入信號(hào)進(jìn)行比較(相加或相減),并用比較所得的有效輸入信號(hào)去控制輸出,這就是放大器的反饋過(guò)程.凡是回授到放大器輸入端的反饋信號(hào)起加強(qiáng)輸入原輸入信號(hào)的,使輸入信號(hào)增加的稱正反饋.反之則反.按其電路結(jié)構(gòu)又分為:電流反饋電路和電壓反饋電路.正反饋電路多應(yīng)用在電子振蕩電路上,而負(fù)反饋電路則多應(yīng)用在各種高低頻放大電路上.因應(yīng)用較廣,所以我們?cè)谶@里就負(fù)反饋電路加以論述.負(fù)反饋對(duì)放大器性能有四種影響: 1.負(fù)反饋能提高放大器增益的穩(wěn)定性. 2.負(fù)反饋能使放大器的通頻帶展寬. 3.負(fù)反饋能減少放大器的失真. 4.負(fù)反饋能提高放大器的信噪比. 5.負(fù)反饋對(duì)放大器的輸出輸入電阻有影響. 圖F1是一種最基本的放大器電路,這個(gè)電路看上去很簡(jiǎn)單,但其實(shí)其中包含了直流電流負(fù)反饋電路和交流電壓負(fù)反饋電路.圖中的R1和R2為BG的直流偏置電阻,R3是放大器的負(fù)載電阻,R5是直流電流負(fù)反饋電阻,C2和R4組成的支路是交流電壓負(fù)反饋支路,C3是交流旁路電容,它防止交流電流負(fù)反饋的產(chǎn)生.一.直流電流負(fù)反饋電路.晶體管BG的基極電壓VB為R1和R2的分壓值,BG發(fā)射極的電壓VE為Ie*R5那么BG的B、E間的電壓=VB-VE=VB-Ie*R5.當(dāng)某種原因(如溫度變化)引起B(yǎng)G的Ie 則VE,BG基發(fā)極的電壓=VB-VE=VB-Ie*R5這樣使Ie.使直流工作點(diǎn)獲得穩(wěn)定.這個(gè)負(fù)反饋過(guò)程是由于Ie所引起的,所以屬于電流負(fù)反饋電路.其中發(fā)射極電容C3是提供交流通路的,因?yàn)槿绻麤](méi)有C3,放大器工作時(shí)交流信號(hào)同樣因R5的存在而形成負(fù)反饋?zhàn)饔?使放大器的放大系數(shù)大打折扣.二.交流電壓負(fù)反饋電路交流電壓負(fù)反饋支路由R4,C4組成,輸出電壓經(jīng)過(guò)這條支路反饋回輸入端.由于放大器的輸出端的信號(hào)與輸入信號(hào)電壓在相位上是互為反相的,所以由于反饋信號(hào)的引入削弱了原輸入信號(hào)的作用.所以是電壓負(fù)反饋電路.R4是控制著負(fù)反饋量的大小,C4起隔直流通交流的作用.當(dāng)輸入的交流信號(hào)幅值過(guò)大時(shí),如果沒(méi)有R4和C4的負(fù)反饋支路,放大器就會(huì)進(jìn)入飽和或截止的狀態(tài),使輸出信號(hào)出現(xiàn)削頂失真.由于引入了負(fù)反饋使輸入交流信號(hào)幅值受到控制,所以避免了失真的產(chǎn)生. 阻抗匹配的基本原理 右圖中R為負(fù)載電阻，r為電源E的內(nèi)阻，E為電壓源。由于r的存在，當(dāng)R很大時(shí)，電路接近開(kāi)路狀態(tài)；而當(dāng)R很少時(shí)接近短路狀態(tài)。顯然負(fù)載在開(kāi)路及短路狀態(tài)都不能獲得最大功率。根據(jù)式:從上式可看出，當(dāng)R=r時(shí)式中的式中分母中的(R-r)的值最小為0，此時(shí)負(fù)載所獲取的功率最大。所以，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，負(fù)載將獲得最大功率。這就是電子電路阻抗匹配的基本原理。色溫 彩色電視機(jī)有一個(gè)鮮為人知的參數(shù)-顯象管的色溫.低色溫的顯象管其圖象色彩鮮艷熱烈;高色溫的顯象管圖象清新自然各有特色.那么色溫是一個(gè)什么東西呢?通常的光源如太陽(yáng),日光燈,白熾燈等發(fā)出的光統(tǒng)稱為白光.但由于發(fā)光物質(zhì)不一樣,光譜成份相差也很大.如何區(qū)別各種光源因光譜成份不同而出現(xiàn)的差別呢?為此物理學(xué)中用一個(gè)稱為黑體的輻射源作為標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)黑體是一種理想的熱輻射體,它的輻射程度只與它的溫度有關(guān).當(dāng)用其它光源和黑體輻射作比較時(shí),察看它的輻射與黑體何種溫度時(shí)的輻射特性相當(dāng)(即它們的光譜成份相同),就以黑體此時(shí)的溫度(絕對(duì)溫度)稱為某光源的色溫.在實(shí)際使用中,這常是用光源中的藍(lán)色光譜成份和紅色光譜成份的比例來(lái)區(qū)別,光源色溫的高低一般是藍(lán)色成份高時(shí)色溫較高;紅色成份高時(shí)色溫較低. 在日常生活中,照相用的膠卷就有高低色溫之分.日光型的 膠卷為高色溫膠卷,燈光型膠卷則為低色溫膠卷.如果用燈光型的膠卷在日光或閃光燈下拍照,拍下來(lái)的景物的顏色會(huì)偏藍(lán).另外在用攝象機(jī)攝象時(shí)色溫也是一個(gè)很重要的參數(shù),處理得不好攝出來(lái)的圖象顏色將會(huì)失真.串,并聯(lián)諧振電路的特性一.串聯(lián)諧振電路:當(dāng)外來(lái)頻率加于一串聯(lián)諧振電路時(shí),它有以下特性:1.當(dāng)外加頻率等于其諧振頻率時(shí)其電路阻抗呈純電阻性,且有最少值,它這個(gè)特性在實(shí)際應(yīng)用中叫做陷波器.2.當(dāng)外加頻率高于其諧振頻率時(shí),電路阻抗呈感性,相當(dāng)于一個(gè)電感線圈.3.當(dāng)外加頻率低于其諧振頻率時(shí),這時(shí)電路呈容性,相當(dāng)于一個(gè)電容.二.并;聯(lián)諧振電路:當(dāng)外來(lái)頻率加于一并聯(lián)諧振電路時(shí),它有以下特性:1.當(dāng)外加頻率等于其諧振頻率時(shí)其電路阻抗呈純電阻性,且有最大值,它這個(gè)特性在實(shí)際應(yīng)用中叫做選頻電路.2.當(dāng)外加頻率高于其諧振頻率時(shí),電路阻抗呈容性,相當(dāng)于一個(gè)電容.3.當(dāng)外加頻率低于其諧振頻率時(shí),這時(shí)電路呈感性,相當(dāng)于一個(gè)電感線圈.所以當(dāng)串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路不是調(diào)節(jié)在信號(hào)頻率點(diǎn)時(shí),信號(hào)通過(guò)它將會(huì)產(chǎn)生相移.(即相位失真) 電子恒流源 愛(ài)好電子技術(shù)的朋友可能在翻閱一些電子書刊時(shí)?？吹健昂懔髟催@個(gè)名詞，那么什么是恒流源呢？顧名思義恒流源就是一個(gè)能輸出恒定電流的電源。圖5中的r是電源E的內(nèi)阻，RL為負(fù)載電阻，根據(jù)歐姆定律：流過(guò)RL的電流為I=E/r+R如果r很大如500K，那么此時(shí)RL在1K-10K變化時(shí)，I將基本不變（只有微小的變化）因?yàn)镽L相對(duì)于r來(lái)說(shuō)太微不足道了，此時(shí)我們可以認(rèn)為E是一個(gè)恒流源。為此我們推論出：恒流源是一個(gè)電源內(nèi)阻非常大的電源。 在電子電路中（如晶體管放大器電路）我們常需要一些電壓增益較大的放大器，為此常要將晶體管集電極的負(fù)載電阻設(shè)計(jì)得盡量大，但此電阻太大將容易使晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)我們可利用晶體三極管來(lái)代替這個(gè)大電阻，這樣一來(lái)既可得到大的電阻，同時(shí)直流壓降并不大，圖6所示。 圖中穩(wěn)壓管D和電阻R2組成的穩(wěn)壓電路用來(lái)偏置BG1的工作點(diǎn)，并保證工作點(diǎn)的穩(wěn)定（BG2為放大管）。從晶體管的輸出特性可知，集電極-發(fā)射極電壓VEC大于1-2V時(shí)，特性曲線幾乎是平的，即VEC變化時(shí)，IC基本不變，也就是說(shuō)，晶體管BG1的輸出電阻非常大（幾百千歐以上），圖中由于BG1的電流基本恒定，所以稱BG1是BG2的恒流負(fù)載。由于具有恒流源負(fù)載的放大器因其負(fù)載電阻大，故這種放大電路具有極大的電壓增益，實(shí)際上在很多集成電路內(nèi)部均采用這種電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是最常用的電子電路之一，它被廣泛地應(yīng)用在各種電子電路中，它有三種表現(xiàn)形式。 1。如圖1所示，這是一種最簡(jiǎn)單的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路(有些書稱它是并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，我個(gè)人始終認(rèn)為應(yīng)是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路)，電阻RL是負(fù)載電阻，R為穩(wěn)壓調(diào)整電阻有叫限流電阻，D為穩(wěn)壓管。這種電路輸出的穩(wěn)壓值等于D的標(biāo)稱穩(wěn)壓值，其工作原理是利用穩(wěn)壓管工作在反向擊穿的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖2是穩(wěn)壓管的伏安特性曲線，從此曲線中我們看到反向電流在一定范圍內(nèi)大幅變化時(shí)其端點(diǎn)的電壓基本不變。當(dāng)RL變小時(shí)，流過(guò)RL的電流增加，但流過(guò)D的電流卻減少，當(dāng)RL變大時(shí)，流過(guò)RL的電流減少，但流過(guò)D的電流卻增大，所以由于D的存在使流過(guò)R的電流基本恒定，在R上的壓降也基本不變，所以使其輸出的電壓也基本保持不變。 當(dāng)負(fù)載要求較大的輸出電流時(shí)，這種電路就不行了，這是因?yàn)樵诖藭r(shí)R的阻值必須減少，由于R的減少就要求D有較大的功耗，但因目前一般的穩(wěn)壓管的功耗均較小，所以這種電路只能給負(fù)載提供幾十毫安的電流，彩電30V調(diào)諧電壓通常都以這種電路來(lái)取得。 2。如圖3所示，這種電路是針對(duì)上面