原创 阻抗匹配的重要性

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记得还是大三上学期学高频电子线路课程时，第一次看到阻抗匹配这个词语，当时就觉得奇怪，把阻抗匹配起来到底是为啥呢？当时老师也没讲，我也不敢问（我担心这是一个很幼稚的问题），所以对这个问题也就含糊了。后来觉得问题严重了，因为每当理解RF电路时，经常看到很多地方都强调阻抗匹配，而自己又不懂。于是乎就带上笔和笔记纸“潜入”学校图书馆，决心把这个问题弄明白一点。等看了一些关于RF的电路书后，自觉对此开窍了一些，这里整理一下就把它写下来。

在这里，我首先引用Eric Bogatin著写的《Signal Integrity:Simplified》中的一段话说明阻抗匹配的重要性。他说，“任何一段互连线，不论线长和形状如何，也不论信号的上升时间如何，都是一个由信号路径和返回路径构成的传输线。一个信号在沿着互连线前进的每一步中，都会感受到一个瞬态阻抗。如果该瞬态阻抗为常数，就像传输线具有均匀的横截面一样，则其信号质量将会获得奇迹般的改善。”这段话得好好理解，因为这是信号完整性问题中的一个很重要的基本原则。

我们知道，一般情况下，RF电路的输入和输出阻抗是比较低的，大部分RF设备的典型阻抗为50欧姆。为什么这么小呢？下面来解释一下。

相信大家中学就学过，一个电路模块的信号功率和它的阻抗关系式为：

这里，Z为电路模块的阻抗。

我们可以看出，对于给定的信号功率，V²正比于Z，即电路模块的阻抗越高，则模块上的压降就越大，反过来，阻抗降低时，电路模块的压降也降低。常识告诉我们，低电压的应用肯定优于高电压。这就是为什么将RF电路模块的输入、输出阻抗故意设置得这么低的原因，因为在一个低阻电路模块上只需要较低的电压就能建立相同的功率。

由电磁学理论可知，任何阻抗突变都会引起电压信号的反射与失真，这自然会使得信号的质量出现问题。正如Eric Bogatin所说的那样，如果信号感受到的阻抗保持不变，那么就不会发生反射，信号也就不会失真。实际上，这是通过进行阻抗匹配引入新的反射，以此来抵消由于负载不匹配而产生的反射，这样从传输线馈入的能量就可以基本无损耗地被负载Z_L吸收，从而实现负载最大的功率传输。总的来说，阻抗匹配的目的就是实现信号功率的最大传输，因为它可以实现从信号源到负载的无电压相移最大功率传输。

其实，阻抗匹配的实质就是阻抗变换，就是将给定的阻抗值变换成更适合的阻抗值，一般为50欧姆。匹配包含两个方面，一个是传输线与负载之间的负载，另一个是信源与负载之间的共轭匹配。大学里我们在电路分析中学过的所谓“最大功率传输定理”就粗略地解决了这个问题。在直流电路中，只有当含源线性单口网络的可变负载R_L等于戴维南等效电阻时，即R_L=R₀时，可变负载R_L可以获得最大功率；而在交流电路中，只有当负载阻抗等于含源网络的戴维南等效阻抗的共轭复数时，负载阻抗才能获得最大功率。

So,如上所述，我们应该意识到阻抗匹配的重要性了，为了“信号质量奇迹般的改善”，我们得“千方百计”地把阻抗给匹配好了。