張 偉 中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所

傳輸線阻抗匹配問題淺析

張 偉 中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所

介紹了傳輸線阻抗匹配的原理以及匹配方法，介紹了兩種傳輸線阻抗計算的經(jīng)驗公式，在此基礎(chǔ)上討論了影響傳輸線阻抗控制的主要因素。

傳輸線；阻抗匹配；因素

引言

1. 傳輸線阻抗的物理含義

在電路分析中，信號傳輸?shù)倪B接線稱為傳輸線。下面介紹兩個與傳輸線特性密切相關(guān)的概念。

(1)特征阻抗：它是沿傳輸線上分布電容和電感的等效，其物理含義是入射波的電壓與電流的比值或反射波的電壓與電流的比值。

傳輸線的特征阻抗是：

其中Z為傳輸線的特征阻抗；L，C分別是傳輸線的分布電感抗和分布電容。

(2)反射系數(shù)：反射波電壓與入射波電壓之比。

反射系數(shù)是：

其中Z1是傳輸線的特征阻抗；Z2是傳輸線的負(fù)載阻抗。

圖2

2.阻抗匹配及其重要性

傳輸理論指出，通常情況下，傳輸線傳輸?shù)碾妷夯螂娏魇怯稍擖c的入射波和反射波疊加而成的，或者說是由行波和駐波疊加而成的。當(dāng)傳輸線的負(fù)載阻抗與傳輸線特征阻抗相等時，線上只存在入射波而無反射波，我們稱之為負(fù)載阻抗匹配。圖1就是傳輸線示意圖，Zc是傳輸線的特征阻抗，Zl為終端負(fù)載阻抗。之所以強調(diào)阻抗匹配問題，是因為阻抗匹配對信號的傳輸具有以下重要意義。

從試驗中可以看出,在毛水頭6.2m時,發(fā)電功率最大時的轉(zhuǎn)速為234～252 rpm/min之間，相應(yīng)電機極數(shù)為26極 （230 rpm/min）至 24極 （250 rpm/min）之間。經(jīng)查有關(guān)水輪機資料，水頭在6.2 m左右的水輪機的轉(zhuǎn)速也在250 rpm/min以下，試驗的結(jié)論和水輪發(fā)電機是吻合的。

(1)當(dāng)Zl≠Zc時，傳輸線上除了會出現(xiàn)入射波外，還會出現(xiàn)反射波，稱之為阻抗控制失配現(xiàn)象。反射波的存在意味著傳送到傳輸線終端的功率不能全部為負(fù)載所吸收，從而降低了傳輸效率。

當(dāng)Zl＞Zc，電壓信號發(fā)生正向反射，電流信號發(fā)生負(fù)向反射；

當(dāng)Zl＜Zc，電壓信號發(fā)生負(fù)向反射，電流信號發(fā)生正向反射。

(2)當(dāng)Zl≠Zc時，傳輸線上同時存在著行波和駐波，若信號電壓比較高，則在電壓波腹點容易產(chǎn)生介質(zhì)擊穿的現(xiàn)象。如欲避免擊穿，勢必采用尺寸較大和耐壓較高的傳輸線，從而加大了投資。

(3)在行波和駐波同時存在的情況下，電流波腹點附近的電流振幅也高于正常值，產(chǎn)生的熱量也比較大，附近的絕緣易被燒壞。

(4)在存在反射波的情況下，從傳輸線始端向傳輸線看入的阻抗都將隨著頻率而變化。當(dāng)用來傳輸含有若干頻率的信號時，將使信號產(chǎn)生失真。

由以上可知，傳輸線上阻抗不匹配會引起信號反射，減小和消除反射的方法是根據(jù)傳輸線的特征阻抗在其發(fā)送端或接收端進(jìn)行終端阻抗匹配，從而使反射系數(shù)等于零，這種情況稱傳輸線阻抗達(dá)到了完全匹配，無任何信號反射，這是傳輸線路追求的理想境界。

3. 影響傳輸線阻抗匹配的主要因素

在電路中，傳輸線一般分為兩種：微帶線(microstrip)；帶狀線(stripline)，如圖2所示，本文針對第一種傳輸線作分析。

微帶線阻抗近似計算公式：

Z為微帶線的阻抗；Er為電介質(zhì)的介電常數(shù)；T為傳輸線的厚度；w為傳輸線的寬度；H

影響傳輸線阻抗的因素主要有:銅線的寬度(w)，銅線的厚度(T)，介質(zhì)的介電常數(shù)(Er)，介質(zhì)的厚度(H)，焊盤的厚度，地線的路徑，周邊的走線等，在具體加工時，一般主要因素：w、Er、H。

當(dāng)然影響阻抗匹配不僅是上述3個因素，上面所提的只是比較而言影響度較大的幾個因素。對于高頻信號傳輸，應(yīng)盡可能的走短線，如果可能要在信號線的周圍鋪地作保護(hù)；對于有高分布電容的負(fù)載，也應(yīng)該用短而粗的走線形式，走線越長，阻抗匹配的形式就越復(fù)雜。

4. 阻抗匹配方法

通常可以利用匹配網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，使用電容電感實現(xiàn)阻抗匹配，在低頻段使用變壓器、L形、π形、T 形電路實現(xiàn)匹配，這類電路體積小、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛。低頻段采用傳輸線變壓器可以實現(xiàn)寬帶阻抗變換；使用電感和電容性的元件組成L形匹配電路；而π形、T形電路可以實現(xiàn)電路的品質(zhì)因數(shù)的調(diào)節(jié)，提高頻帶寬度，靈活性更高。

還可以采用分布式參數(shù)元件電路匹配的方法，其中混合型匹配電路(中低頻)， 這類電路設(shè)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(yán)重；第二個是單分支匹配電路，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(shè)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(jìn)行阻抗匹配設(shè)計；最后是雙分支匹配電路，這類匹配電路更易于實現(xiàn)匹配阻抗的調(diào)節(jié)，只是設(shè)計有點復(fù)雜。還可以使用噪聲匹配電路實現(xiàn)阻抗匹配。

5. 結(jié)束語

阻抗匹配是一個比較復(fù)雜的問題，本文對傳輸線特征阻抗的物理含義、計算和影響因素進(jìn)行了比較深入的探討。阻抗匹配的方法和匹配器的形式也是很多的,應(yīng)該根據(jù)實際情況具體分析采用。

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