什么是特性阻抗什么是阻抗匹配

 

人認識事物總是有一個過程，一般都是從具體到抽象。認識特性阻抗也是一樣的，在我們認識特性阻抗之前，先認識跟特性阻抗比較相關的一個物理量—電阻。安泰維修在這里分享一下什么是特性阻抗什么是阻抗匹配。

 

電阻是一個實實在在的物理元器件，通過歐姆定律我們可以知道，電壓、電流和電阻三者之間的關系，U=I*R

我們通過一個具體的電路來分析這三者之間的具體關系，請看下面的一張最簡單的電路圖。這個電路圖只有一個電源一個電阻和一些導線組成。

當然這個電阻的阻值也可以通過用萬用表來直接測量。

 

特性阻抗就不一樣了，用萬用表測量一根50歐姆特性阻抗時，將會發現是短路的。這就需要我們從概念上區分電阻（哪怕是剛好是50歐姆的電阻）和特性阻抗是兩碼事。就像溫度上面的度（攝氏度）和角度上的度一樣，不是一個東西。

 

電阻這個物理量大家都懂，這里就不解釋了。我們來分析一下這個特性阻抗到底是何方神圣，是在什么條件下才會用這個東西的。

 

其實特性阻抗是和射頻緊密相隔的一個物理量，在認識特性阻抗之前先認識一下射頻。我們知道電臺，手機通訊信號，wifi等都是向外部發射信號能量的裝置，也就是說能量是從天線射出去，能量不再回來到天線了，可以想像就像機槍向外面掃射一樣，子彈打出去就不回來了。

 

好了，明白射頻這個東西之后，我們再來到具體的傳輸射頻能量的導線上面來。導線上面傳輸的射頻信號也是一樣的，希望它傳過去就不要反傳回來了，要是有能量反傳回來就說明傳輸的效果差了。

 

為了更具體的說明特性阻抗這個東西，在這里打一個比方：

 

同一個電路板上面有2根導線（假設都是很長的兩根線，你能想像它有多長就有多長），因為同一個板，那么2根導線的銅皮厚度都是一樣的。兩根導線，長（無限長）和厚度是一樣的，只能唯一不同的是寬度了，假設1號導線寬度是1（單位），2號導線是2（單位）。也就是說2號線寬度是1號線的兩倍。

 

下面的圖可以具體看到兩根導線的示意圖

如上圖所示，假如同時都接的是一樣的射頻發射源，同樣的一小段時間T，那么我們看看這兩根導線會有什么區別。同一個發射源，那么兩根線的輸出射頻電壓是一樣的，射頻傳輸的距離是一樣的（假設都是光速，實際比光速少）。

 

唯一不同的是線寬，而2號線的線比1號線寬一倍，那么2號線需要1號線2倍的電量來填滿多出的線寬面積(其實是導線銅皮與底面產生的電容效應)。也就是說： Q2=兩倍的Q1

 

因為i = Q/T （射頻電流=電量/時間），那么可以知道2號線的射頻電流是1號線的兩倍（因為時間是一樣的，2號線電量是1號線的兩倍）。

 

好了，我們知道了 i2=兩倍的i1

到了這里，我們找出個神秘的特性阻抗就不遠了，為什么呢，因為我們知道電阻=電壓/電流。其實特性阻抗也有這種關系：特性阻抗=射頻電壓/射頻電流。

 

從上面我們知道，射頻電壓一樣的，電流關系為 i2=兩倍的i1

則2號線的特性阻抗只有1號線的一半！

這就是我們所說的線越是寬，特性阻抗越小。

 

上面是我舉個例子說明特性阻抗與電阻的區別，以及為什么同樣一個板子，特性阻抗與線寬有關系，與長度沒有關系。

 

實際上影響特性阻抗的因素很多，包括材料，導線與底板地間距等等很多因素相關。

導線的特性阻抗用通俗的話來描述（只是比喻），就是導線對其上面傳輸的射頻能量阻礙力的大小。

 

認識傳輸線的反射

 

上面我們是假設導線是無限長的，而實際上的導線長度是有限。當射頻信號到達導線末端，能量沒有辦法釋放，就會沿著導線反傳回來。就跟我們對著墻喊，聲音碰到墻反傳回來產生回音。也就是說我們想像中的射頻信號發射出去就沒有反射回來的情況在現實是不存在的。

如上圖所示，假如我們在線的末端接上一個電阻來消耗（或者接收）線上傳輸過來的射頻能量。

 

有人會問，為什么導線的特性阻抗的電阻不消耗能量，非要接個電阻才能消耗呢？其實啊，導線只是傳輸能量的，導線本身并不消耗能量或者近似于不損耗能量（有點想電容或者電感的屬性）。電阻則是一個損耗能量的元件。

 

我們發現有三種特殊情況：

 

當R=RO 時，傳輸過來的能量剛剛好被末端的電阻R吸收完，沒有能量反射回去。可看成這導線是無線長。

 

當R=∞時（開路），能量全部反射回去，而且在線的末端點會產生2倍于發射源的電壓。

 

當R=0時，末端點會產生一個-1倍于源電壓反射回去。

 

認識阻抗匹配

 

阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態。

 

阻抗匹配是針對射頻等而言的，對于功率電路則不適用的，否則會燒掉東西。

 

我們常常聽說特性阻抗50歐姆，75歐姆等等，這個50歐姆是怎么來的，為什么是50歐姆 而不是51歐姆呢，或者45歐姆呢？

 

這個是約定來的，50歐姆應該說對于一般射頻電路傳輸效果更好。也就是說，我們的導線，電纜要做50歐姆，是因為電路負載已經相當于50歐姆的電阻。你做別的阻抗值導線，就和負載不匹配。偏離越遠，傳輸的效果就會越差！

 

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