有关“特性阻抗”和“阻抗匹配”这对兄弟

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有关“特性阻抗”和“阻抗匹配”这对兄弟 [复制链接]

       在认识特性阻抗之前，先认识跟特性阻抗比较相关的一个物理量—电阻。


       电阻是一个实实在在的物理元器件，通过欧姆定律我们可以知道，电压、电流和电阻三者之间的关系，U=I*R


      通过一个具体的电路来分析这三者之间的具体关系，请看下面的一张最简单的电路图。这个电路图只有一个电源一个电阻和一些导线组成。

当然这个电阻的阻值也可以通过用万用表来直接测量。


        特性阻抗就不一样了，用万用表测量一根50欧姆特性阻抗时，将会发现是短路的。这就需要我们从概念上区分电阻（哪怕是刚好是50欧姆的电阻）和特性阻抗是两码事。就像温度上面的度（摄氏度）和角度上的度一样，不是一个东西。


       电阻这个物理量大家都懂，这里就不解释了。我们来分析一下这个特性阻抗到底是何方神圣，是在什么条件下才会用这个东西的。


      其实特性阻抗是和射频紧密相隔的一个物理量，在认识特性阻抗之前先认识一下射频。我们知道电台，手机通讯信号，wifi等都是向外部发射信号能量的装置，也就是说能量是从天线射出去，能量不再回来到天线了，可以想像就像机枪向外面扫射一样，子弹打出去就不回来了。


       好了，明白射频这个东西之后，我们再来到具体的传输射频能量的导线上面来。导线上面传输的射频信号也是一样的，希望它传过去就不要反传回来了，要是有能量反传回来就说明传输的效果差了。


为了更具体的说明特性阻抗这个东西 我这里打一个比方：


       同一个电路板上面有2根导线（假设都是很长的两根线，你能想像它有多长就有多长），因为同一个板，那么2根导线的铜皮厚度都是一样的。两根导线，长（无限长）和厚度是一样的，只能唯一不同的是宽度了，假设1号导线宽度是1（单位），2号导线是2（单位）。也就是说2号线宽度是1号线的两倍。


下面的图可以具体看到两根导线的示意图。

       如上图所示，假如同时都接的是一样的射频发射源，同样的一小段时间T，那么我们看看这两根导线会有什么区别。同一个发射源，那么两根线的输出射频电压是一样的，射频传输的距离是一样的（假设都是光速，实际比光速少）。


      唯一不同的是线宽，而2号线的线比1号线宽一倍，那么2号线需要1号线2倍的电量来填满多出的线宽面积(其实是导线铜皮与底面产生的电容效应)。也就是说： Q2=两倍的Q1


     因为  i = Q/T （射频电流=电量/时间），那么可以知道2号线的射频电流是1号线的两倍（因为时间是一样的，2号线电量是1号线的两倍）。


     好了，我们知道了 i2=两倍的i1
     到了这里，我们找出个神秘的特性阻抗就不远了，为什么呢，因为我们知道电阻=电压/电流。其实特性阻抗也有这种关系：特性阻抗=射频电压/射频电流。


     从上面我们知道，射频电压一样的，电流关系为 i2=两倍的i1
     则2号线的特性阻抗只有1号线的一半！
     这就是我们所说的线越是宽，特性阻抗越小。


     上面是我举个例子说明特性阻抗与电阻的区别，以及为什么同样一个板子，特性阻抗与线宽有关系，与长度没有关系。


      实际上影响特性阻抗的因素很多，包括材料，导线与底板地间距等等很多因素相关。
      导线的特性阻抗用通俗的话来描述（只是比喻），就是导线对其上面传输的射频能量阻碍力的大小。


认识传输线的反射


       上面我们是假设导线是无限长的，而实际上的导线长度是有限。当射频信号到达导线末端，能量没有办法释放，就会沿着导线反传回来。就跟我们对着墙喊，声音碰到墙反传回来产生回音。也就是说我们想像中的射频信号发射出去就没有反射回来的情况在现实是不存在的。

如上图所示，假如我们在线的末端接上一个电阻来消耗（或者接收）线上传输过来的射频能量。


        有人会问，为什么导线的特性阻抗的电阻不消耗能量，非要接个电阻才能消耗呢？其实啊，导线只是传输能量的，导线本身并不消耗能量或者近似于不损耗能量（有点想电容或者电感的属性）。电阻则是一个损耗能量的元件。


我们发现有三种特殊情况：


当R=RO 时，传输过来的能量刚刚好被末端的电阻R吸收完，没有能量反射回去。可看成这导线是无线长。


当R=∞时（开路），能量全部反射回去，而且在线的末端点会产生2倍于发射源的电压。


当R=0时，末端点会产生一个-1倍于源电压反射回去。


认识阻抗匹配


      阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。


     阻抗匹配是针对射频等而言的，对于功率电路则不适用的，否则会烧掉东西。


我们常常听说特性阻抗50欧姆，75欧姆等等，这个50欧姆是怎么来的，为什么是50欧姆 而不是51欧姆呢，或者45欧姆呢？


     这个是约定来的，50欧姆应该说对于一般射频电路传输效果更好。也就是说，我们的导线，电缆要做50欧姆，是因为电路负载已经相当于50欧姆的电阻。你做别的阻抗值导线，就和负载不匹配。偏离越远，传输的效果就会越差！