阻抗匹配設(shè)計(jì)原理及方法

1、 阻抗匹配設(shè)計(jì)原理及方法阻抗匹配（）是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來(lái)達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，幾乎不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn)，從而提升能源效益。（）阻抗匹配有兩種，一種是透過(guò)改變阻抗力（），另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)（）i要匹配一組線路，首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來(lái)歸一化，然后把數(shù)值劃在史密斯圖上。改變阻抗力把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來(lái)，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)18度0，然后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉(zhuǎn)18度0。重復(fù)以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力

2、變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹Ｗ杩蛊ヅ洌汉?jiǎn)單的說(shuō)就是特性阻抗等于負(fù)載阻抗。調(diào)整傳輸線由負(fù)載點(diǎn)至來(lái)源點(diǎn)加長(zhǎng)傳輸線，在圖表上的圓點(diǎn)會(huì)沿著圖中心以逆時(shí)針?lè)较蜃邉?dòng)，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(diào)整為零，完成匹配。阻抗匹配則傳輸功率大，對(duì)于一個(gè)電源來(lái)講，單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí)，輸出功率最大，此時(shí)阻抗匹配。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無(wú)反射波。對(duì)于普通的寬頻放大器，輸出阻抗Q，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是如果信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長(zhǎng)度，即纜長(zhǎng)可以忽略的話，就無(wú)須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí),要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射,這表明所有能量都被

3、負(fù)載吸收了.反之則在傳輸中有能量損失。高速布線時(shí)，為了防止信號(hào)的反射，要求是線路的阻抗為歐姆。這是個(gè)大約的數(shù)字,一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆,頻帶75歐姆,對(duì)絞線則為10歐0姆,只是取個(gè)整而已,為了匹配方便.阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個(gè)阻字是相同的，而另一個(gè)抗字呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗；周延一點(diǎn)地說(shuō)，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體，電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo)體，而最近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體，則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交

4、流電的領(lǐng)域中則除了電阻會(huì)阻礙電流以外，電容及電感也會(huì)阻礙電流的流動(dòng)，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡(jiǎn)稱容抗及感抗。它們的計(jì)量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問(wèn)題，具有向量上的關(guān)系式，因此才會(huì)說(shuō)：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)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(duì)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(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱

5、為失配。當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份只數(shù)值相等而符號(hào)相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。史密斯圖是一款用于電機(jī)與電子工程學(xué)的圖表，主要用于傳輸線的阻抗匹配上。一條傳輸線的阻抗會(huì)隨其物理長(zhǎng)度而改變，要設(shè)計(jì)一套阻抗匹配的電路，需要通過(guò)不少繁復(fù)的計(jì)算程序，史密斯圖的特點(diǎn)便是省卻一些計(jì)算程序。該圖表是由菲利普史密斯于年發(fā)明的，當(dāng)時(shí)他在美國(guó)的公司工作。史密斯曾說(shuō)過(guò)，在我能夠使用計(jì)算尺的時(shí)候，我對(duì)以圖表方式來(lái)表達(dá)數(shù)學(xué)上的關(guān)聯(lián)很有興趣。史密斯圖的基本在于以下的算式當(dāng)中的r代表其線路的反射系數(shù)，即里的，是歸一負(fù)載值，即/當(dāng)中

6、，是電路的負(fù)載值；是傳輸線的特性阻抗值，通常會(huì)使用0。圖表中的圓形線代表電阻抗力的實(shí)數(shù)值，即電阻值，中間的橫線與向上和向下散出的線則代表電阻抗力的虛數(shù)值，即由電容或電感在高頻下所產(chǎn)生的阻力，當(dāng)中向上的是正數(shù)，向下的是負(fù)數(shù)。圖表最中間的點(diǎn)代表一個(gè)已匹配的電阻數(shù)值，同時(shí)其反射系數(shù)的值會(huì)是零。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長(zhǎng)度是1，即1表表反射%。在圖邊的數(shù)字代表反射系數(shù)的角度（表-1度8的和表波長(zhǎng)（由零至半個(gè)波長(zhǎng)的。有一些圖表是以導(dǎo)納值來(lái)表示，把上述的阻抗值版本旋轉(zhuǎn)度即可。自從有了計(jì)算機(jī)后，此種圖表的使用率隨之而下，但仍常用來(lái)表示特定的資料。對(duì)于就讀電磁學(xué)及微波電子學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在解決課本問(wèn)題仍然很實(shí)

7、用，因此史密斯圖至今仍是重要的教學(xué)用具。在學(xué)術(shù)論文里，量度儀器的結(jié)果也常會(huì)以史密斯圖來(lái)表示。關(guān)于阻抗匹配一.阻抗匹配的研究在高速的設(shè)計(jì)中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。阻抗匹配的技可術(shù)以說(shuō)是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用，需要衡量多個(gè)方面的因素。例如我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)計(jì)中，很多采用的都是源段的串連匹配。對(duì)于什么情況下需要匹配，采用什么方式的匹配，為什么采用這種方式。例如：差分的匹配多數(shù)采用終端匹配；時(shí)鐘采用源段匹配；串聯(lián)終端匹配串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號(hào)的源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配

8、，抑制從負(fù)載端反射回來(lái)的信號(hào)發(fā)生再次反射.串聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：A由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳播時(shí)以其幅度的50向負(fù)載端傳播；B信號(hào)在負(fù)載端的反射系數(shù)接近1，因此反射信號(hào)的幅度接近原始信號(hào)幅度的50。反射信號(hào)與源端傳播的信號(hào)疊加，使負(fù)載端接受到的信號(hào)與原始信號(hào)的幅度近似相同；負(fù)載端反射信號(hào)向源端傳播，到達(dá)源端后被匹配電阻吸收；反射信號(hào)到達(dá)源端后，源端驅(qū)動(dòng)電流降為0，直到下一次信號(hào)傳輸。相對(duì)并聯(lián)匹配來(lái)說(shuō)，串聯(lián)匹配不要求信號(hào)驅(qū)動(dòng)器具有很大的電流驅(qū)動(dòng)能力。選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻

9、抗為零，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小的輸出阻抗，而且在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí)，輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為+的驅(qū)動(dòng)器，在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為7,在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為74驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)一樣，其輸出阻抗會(huì)隨信號(hào)的電平大小變化而變化。因此，對(duì)或電路來(lái)說(shuō)，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號(hào)網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配，所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端。否則，接到傳輸線中間的負(fù)載接受到的波形就會(huì)象圖中點(diǎn)的電壓波形一樣?？梢钥闯?，有一段時(shí)間負(fù)載端信號(hào)幅度為原始信號(hào)幅度的一半。顯然這時(shí)候信號(hào)處在不定邏輯狀態(tài)，信號(hào)的噪聲容限很低。串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小，不

10、會(huì)給驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)額外的直流負(fù)載，也不會(huì)在信號(hào)和地之間引入額外的阻抗；而且只需要一個(gè)電阻元件。并聯(lián)終端匹配并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下，通過(guò)增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。并聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：A驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播；所有的反射都被匹配電阻吸收；C負(fù)載端接受到的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。在實(shí)際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗很高，因此對(duì)單電阻形式來(lái)說(shuō)，負(fù)載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等。假定傳輸線的特征阻抗為7,則值為7。如果信號(hào)的高電平為

11、，則信號(hào)的靜態(tài)電流將達(dá)到0由于典型的或電路的驅(qū)動(dòng)能力很小，這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現(xiàn)在這些電路中。雙電阻形式的并聯(lián)匹配，也被稱作戴維南終端匹配，要求的電流驅(qū)動(dòng)能力比單電阻形式小。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配，每個(gè)電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅(qū)動(dòng)能力，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則：兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等；.與電源連接的電阻值不能太小，以免信號(hào)為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大；.與地連接的電阻值不能太小，以免信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大。并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行；顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)直流功耗：?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號(hào)的占空比緊密相關(guān)；雙電阻方式則無(wú)論

12、信號(hào)是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對(duì)功耗要求高的系統(tǒng)。另外，單電阻方式由于驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題在一般的、系統(tǒng)中沒(méi)有應(yīng)用，而雙電阻方式需要兩個(gè)元件，這就對(duì)的板面積提出了要求，因此不適合用于高密度印刷電路板。當(dāng)然還有：終端匹配；基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。二.將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號(hào)線（）中，當(dāng)出現(xiàn)方波訊號(hào)的傳輸時(shí)，可將之假想成為軟管（）送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時(shí)，則施與受兩者皆歡而順利完成使命，豈非一種得心應(yīng)手的小小成就？2.然2而一旦用力過(guò)度水注射程太遠(yuǎn)，不

13、但騰空越過(guò)目標(biāo)浪費(fèi)水資源，甚至還可能因強(qiáng)力水壓無(wú)處宣泄，以致往來(lái)源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折，而且還大捅紕漏滿臉豆花呢！2.3反之，當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結(jié)果。過(guò)猶不及皆非所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié)，正可用以說(shuō)明方波（）訊號(hào)（）在多層板傳輸線（，系由訊號(hào)線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成）中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線（常見(jiàn)者有同軸電纜b與微帶線或帶線等）看成軟管，而握管處所施加的壓力，就好比板面上“接受端”（）元件所并聯(lián)到的電阻器一般，可用以調(diào)節(jié)其終點(diǎn)的特性阻抗（），使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。三傳輸線之終

14、端控管技術(shù)（）3.1由上可知當(dāng)“訊號(hào)”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn)，欲進(jìn)入接受元件（如或等大小不同的）中工作時(shí)，則該訊號(hào)線本身所具備的“特性阻抗”，必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務(wù)失敗白忙一場(chǎng)。用術(shù)語(yǔ)說(shuō)就是正確執(zhí)行指令，減少雜訊干擾，避免錯(cuò)誤動(dòng)作”。一旦彼此未能匹配時(shí)，則必將會(huì)有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈，進(jìn)而形成反射雜訊（）的煩惱。當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗（0被設(shè)計(jì)者訂定為時(shí)，則終端控管的接地的電阻器（）也必須是，如此才能協(xié)助傳輸線對(duì)（的保持，使整體得以穩(wěn)定在的設(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種0的匹配情形下，訊號(hào)的傳輸才會(huì)最具效率，其“訊號(hào)完整性”（，為訊號(hào)品質(zhì)之專用術(shù)語(yǔ)）

15、也才最好。四特性阻抗（）當(dāng)某訊號(hào)方波，在傳輸線組合體的訊號(hào)線中，以高準(zhǔn)位（）的正壓訊號(hào)向前推進(jìn)時(shí)，則距其最近的參考層（如接地層）中，理論上必有被該電場(chǎng)所感應(yīng)出來(lái)的負(fù)壓訊號(hào)伴隨前行（等于正壓訊號(hào)反向的回歸路徑RetuPrant），h如此將可完成整體性的回路（）系統(tǒng)。該“訊號(hào)”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以凍結(jié)，即可想象其所遭受到來(lái)自訊號(hào)線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值（），此即所謂的“特性阻抗”。是故該“特性阻抗”應(yīng)與訊號(hào)線之線寬（）、線厚（）、介質(zhì)厚度（）與介質(zhì)常數(shù)（）都扯上了關(guān)系。阻抗匹配不良的后果由于高頻訊號(hào)的“特性阻抗”（0原詞甚長(zhǎng)，故一般均簡(jiǎn)稱之為“阻抗”。讀者千萬(wàn)要小心，此與

16、低頻交流電（0）其電線（并非傳輸線）中，所出現(xiàn)的阻抗值（）并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的0都能管理妥善，而控制在某一范圍內(nèi)（10%或5%）者，此品質(zhì)良好的傳輸線，將可使得雜訊減少，而誤動(dòng)作也可避免。但當(dāng)上述微帶線中（的四種變數(shù)（wt、）有任一項(xiàng)發(fā)生異常，例如訊號(hào)線出現(xiàn)缺口時(shí)，將使得原來(lái)的（突然上升（見(jiàn)上述公式中之0與成反比的事實(shí)），而無(wú)法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻（）時(shí)，則其訊號(hào)的能量必然會(huì)發(fā)生部分前進(jìn)，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無(wú)法避免雜訊及誤動(dòng)作了。例如澆花的軟管突然被踩住，造成軟管兩端都出現(xiàn)異常，正好可說(shuō)明上述特性阻抗匹配不良的問(wèn)題。4.3阻抗匹配不良造成雜訊上述部分訊號(hào)能量的反彈

17、，將造成原來(lái)良好品質(zhì)的方波訊號(hào)，立即出現(xiàn)異常的變形（即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的,與低準(zhǔn)位向下的,以及二者后續(xù)的）i此等高頻雜訊嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作，而且當(dāng)時(shí)脈速度愈快時(shí)雜訊愈多也愈容易出錯(cuò)。5長(zhǎng).線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ湓O(shè)計(jì)對(duì)于高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，如果時(shí)鐘脈沖信號(hào)的脈寬足夠長(zhǎng)，那么出現(xiàn)在該時(shí)鐘脈沖信號(hào)上的反射能量和振鈴能量，將由原來(lái)的一個(gè)變成兩個(gè)或者更多，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)出現(xiàn)異常。此外，反射還會(huì)使邏輯器件的噪聲容限變差。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于雷達(dá)輸出信號(hào)為1Q阻抗，因而不利于長(zhǎng)線傳輸，并產(chǎn)生信號(hào)反射現(xiàn)象。反射結(jié)果對(duì)模擬的正弦波信號(hào)形成駐波，數(shù)字信號(hào)則表現(xiàn)為上升沿和下降沿的振鈴和過(guò)沖。該過(guò)沖不僅會(huì)形成強(qiáng)烈的電

18、磁干擾，也會(huì)損壞用于后級(jí)輸入電路的保護(hù)二極管，甚至失效。圖1示出信號(hào)過(guò)沖波形。一般而言，過(guò)沖超過(guò)O就應(yīng)采取相應(yīng)措施，在圖中，信號(hào)源阻抗、負(fù)載阻抗是造成信號(hào)反射的主要原因。因此要將阻抗變換為Q。以利于長(zhǎng)線傳輸。根據(jù)史密夫圖表可知，電容或電感與負(fù)載串聯(lián)，可增加或減少負(fù)載阻抗，且其圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果電容或電感接地，則圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180。然后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉(zhuǎn)180。重復(fù)上述方法直至電阻值變?yōu)?，即可直接把阻抗力變?yōu)榱悖@樣就完成匹配。5.1系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先用變壓器隔離雷達(dá)輸出信號(hào)，然后通過(guò)分壓跟隨放大，使電容隔離，最后輸出6路頻率碼。圖3和

19、圖4分別給出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖和具體電路設(shè)計(jì)。5.器2件選擇依據(jù)與匹配計(jì)算變壓器的選擇隔離變壓器選用1：1的變壓器。由于次級(jí)不與地相連，因此次級(jí)上任一根線與地之間都沒(méi)有電位差。隔離變壓器的特點(diǎn)就是初級(jí)與次級(jí)隔開(kāi)，使他們之間不產(chǎn)生回路，但1：1的隔離變壓器嚴(yán)禁次級(jí)接地。其原理如圖5所示。若次級(jí)繞組與初級(jí)繞組的匝數(shù)不同，則感應(yīng)電勢(shì)與的大小也不相同。當(dāng)略去內(nèi)阻抗壓降后，電壓和的大小也不同。當(dāng)變壓器次級(jí)空載時(shí)，初級(jí)僅流過(guò)主磁通的電流，該電流稱之為激磁電流。當(dāng)次級(jí)加負(fù)載，即流過(guò)負(fù)載電流2時(shí)鐵心中將產(chǎn)生磁通，以力圖改變主磁通，但當(dāng)初級(jí)電壓不變時(shí)，主磁通也不變。此時(shí)，初級(jí)就要流過(guò)兩部分電流，一部分為激磁電流，一部分為平衡電