阻抗匹配示例
实验二 阻抗测量和匹配
实验二 阻抗测量和匹配一．实验目的与意义微波元器件或天线系统的输入阻抗是微波工程中的重要参数，因此阻抗测量也是重要内容之一。
微波元件的特性，有时是通过对该元件一系列的阻抗测量来达到的。
例如微波双口网络散射参量的测量，阻抗法测量谐振腔的品质因数、传输线与天线的匹配技术，以及研究传输线的不均匀性等等，都用到阻抗测量技术。
二．实验原理和方法1、阻抗测量的基本原理：阻抗测量方法有多种，最常用的是驻波法和阻抗电桥法，本实验介绍驻波法。
根据传输线基本理论，归一化负载阻抗的电阻和电抗分量如下式所示： 222112cos 2sin 12cos RL ZC XL ZC φφφ-Γ=+Γ-ΓΓ=+Γ-Γ （1）式中ZC 为传输线的特性阻抗,Γ为传输线终端负载的反射系数Γ的模数，Φ为它的相角，Γ 与驻波比 ρ的关系由（2）式给出。
Φ与由负载算起的最近一个驻波电压节点的距离dmin 之间关系由（3）式给出： 11ρρ-Γ=+ （2） 4min 1d g πλ⎛⎫Φ=- ⎪⎝⎭（3）因此，用驻波法测阻抗归结为传输线中驻波比的测量和距负载最近一个电压驻波节点的测量。
关于驻波比的测量在实验一中已学习过，这里介绍一下d min 的测量。
dmin 是待测负载到最近的一个驻波电压节点之间的距离，由于测量线结构的限制，直接测量dmin 比较困难，因此，实际测量中常用“等效参考面法”。
如图一所示，待测负载接于测量线输出端 A ，测量线的槽开到B 处为止，该待测件的第一个驻波节点在C 点，探针不可能直接移到C 处，此时dmin = A C ，所以不可能直接测量。
而要采取等效负载参考面的方法，根据传输线原理，在传输线中相隔λg/2的整数倍的各点的阻抗是相同的。
因此，我们可以将负载虚拟移动若干个半波导波长，直移到槽线中的某一适当位置，这个位置即为所取的等效负载参考面。
在实验时它可以待测件Ｃ图 一这样得到，在测量线输出端以短路片代替待测负载，这时传输线内形成全反射的纯驻波（如图二a ）。
阻抗匹配及应用设计实战
阻抗匹配及应用设计实战阻抗匹配是指在电路中通过调整电路元件的参数，使得电路的输入阻抗与输出阻抗相等或接近相等的一种技术。
阻抗匹配的目的是为了最大限度地传输信号能量，减小信号的反射和损耗，提高电路的性能。
阻抗匹配的应用非常广泛，下面将介绍几个常见的应用场景和设计实战。
1. 信号传输线阻抗匹配在高频信号传输中，信号传输线的阻抗匹配非常重要。
如果信号源的输出阻抗与传输线的特性阻抗不匹配，会导致信号的反射和损耗，影响信号的传输质量。
因此，在设计高频信号传输线时，需要根据传输线的特性阻抗选择合适的信号源输出阻抗，或者通过添加匹配电路来实现阻抗匹配。
2. 射频功率放大器的输入输出阻抗匹配在射频功率放大器设计中，输入输出阻抗匹配是非常重要的。
输入阻抗匹配可以提高信号源的能量传输效率，输出阻抗匹配可以提高功率放大器的输出功率和效率。
通常使用匹配网络来实现阻抗匹配，如L型匹配网络、π型匹配网络等。
3. 天线阻抗匹配天线是无线通信系统中非常重要的组成部分，天线的阻抗匹配直接影响无线信号的传输效果。
在设计天线时，需要根据天线的特性阻抗选择合适的驱动电路输出阻抗，并通过调整天线的结构参数来实现阻抗匹配。
阻抗匹配可以提高天线的辐射效率，减小信号的反射和损耗。
4. 音频放大器的输入输出阻抗匹配在音频放大器设计中，输入输出阻抗匹配对于提高音频信号的传输质量非常重要。
输入阻抗匹配可以提高音频信号源的能量传输效率，输出阻抗匹配可以提高音频放大器的输出功率和效率。
通常使用匹配网络来实现阻抗匹配，如L型匹配网络、π型匹配网络等。
5. 传感器与信号处理电路的阻抗匹配在传感器与信号处理电路之间的连接中，阻抗匹配可以提高信号的传输质量和减小信号的损耗。
传感器的输出阻抗与信号处理电路的输入阻抗匹配可以提高信号的传输效率，减小信号的失真和噪声。
通常使用阻抗转换电路来实现阻抗匹配，如差分放大器、阻抗转换器等。
在实际的阻抗匹配设计中，需要根据具体的应用场景和要求选择合适的匹配电路和参数。
阻抗匹配及应用设计实战
阻抗匹配及应用设计实战（老外的经典诠释）阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。
阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。
我们先从直流电压源驱动一个负载入手。
由于实际的电压源，总是有内阻的（请参看输出阻抗一问），我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。
假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。
负载R上的电压为：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。
再来计算一下电阻R消耗的功率为：P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r]=U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。
注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，当R=r时，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U*U/(4*r)。
即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。
对于纯电阻电路，此结论同样适用于低频电路及高频电路。
当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共厄匹配。
在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。
从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。
阻抗匹配详解及高频阻抗匹配实例
英文名称：impedance matching基本概念信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。
一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。
对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。
匹配条件①负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输。
②负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。
这时在负载阻抗上可以得到最大功率。
这种匹配条件称为共轭匹配。
如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件是等同的。
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。
对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。
在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。
当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而符号相反。
这种匹配条件称为共扼匹配。
阻抗匹配（Impedance matching）是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。
史密夫图表上。
电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。
如果把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。
重覆以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。
共轭匹配在信号源给定的情况下，输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比K，当两者相等，即K=1时，输出功率最大。
分享笔记之阻抗匹配
分享笔记之阻抗匹配阻抗：在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。
在设计电子电路时都需要考虑阻抗匹配，什么是阻抗匹配？为什么要进行阻抗匹配，下面列举三个典型方向说明：一、获得最大功率。
对于理想的电源，我们希望只有电压U，但实际上，每个电源都会有一个内阻，如图1-1所示，电源是由U和内阻r组成的。
接入负载RL，要使负载获得最大的功率，RL取多大的值？由欧姆定律U=I*R 得出IRL=U/(RL+r)URL=IRL*RL=U/(1+r/RL)PRL=URL*IRL=U^2/[4*r+(RL-r)^2/r]所以当RL=r时，(RL-r)^2/r取得最小值0，PRL值最大图1-1在喇叭上都会标注有4Ω、8Ω等字样，就是为了跟功放机的输出阻抗匹配，获得最大功率和更好的音质。
二、提高精度如图2-1，a图是教科书上典型的反相放大器，b图是另一种工程设计中见到的反相放大器，它们的功能是一样的，那么R5是做什么用的？我们称之为匹配电阻，那么为什么要加入这个匹配电阻呢？这时候就要看运放的规格书，如图2-2,是运放OPA369的规格参数，这里面有两个重要的参数，偏置电流IB、失调电流Ios。
理想的运放是不存在这两个参数，但由于实际的制作工艺限制，也就是说，实际的运放输入，会有电流流入或流出运放的输入端的（与理想运放的虚断不太一样）。
那么输入偏置电流就定义这两个电流的平均值，输入失调电流呢，就定义为两个电流的差。
问题来了，假如输入端输入电压为0V，但由于有电流流过电阻，必定会产生电压，输出得到的就不是0V，这时候匹配电阻的作用就是使正反相输入端产生的电压尽可能的相等，减小失调电压。
图2-1图2-2至于为什么R5取值50KΩ，请参考/article/284969.htm偏置电流IB、失调电流Ios的详细讲解请参考/question_answer/analog/amplifiers/f/52/t/18865.aspx三、减小信号干扰在高频电路中，如果走线的阻抗不匹配，在负载端就会产生反射，从而干扰到信号。
简易阻抗匹配方法.
在高速的设计中,阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。
阻抗匹配的技术可以说是丰富多样,在此只对几种简单常用的端接方法进行介绍。
为什么要进行阻抗匹配呢?无外乎几种原因,如减少反射、控制信号边沿速率、减少信号波动、一些电平信号本身需要等等。
端接阻抗匹配一般有 5种方法:1. 源端串联匹配,2. 终端并联匹配,3. 戴维南匹配,4.RC 网络匹配,5. 二极管匹配。
1. 串联端接匹配:一般多在源端使用, Rs (串联电阻 =Z0(传输线的特性阻抗 -R0(源阻抗。
例如:若 R0为 22,Z0为55Ω,则 Rs 应为33Ω。
优点:①器件单一;②抑制振铃,减少过冲;③适用于集总线型负载和单一负载;④增强信号完整性,产生更小 EMI 。
缺点:①当 TTL,CMOS 器件出现在相同网络时,串联匹配不是最佳选择;②分布式负载不是适用,因为在走线路径的中间,电压仅是源电压的一般;③接收端的反相反射仍然存在;④影响信号上升时间并增加信号延时。
2. 并联端接匹配:此 Rt 电阻值必须等于传输线所要求的电阻值, 电阻的一端接信号,一端接地或电源。
简单的终端并联匹配一般不用于 TTL,COMS 电路,因为在高逻辑状态时,此方法需要较大的驱动电流。
优点:①器件单一;②适用于分布式负载;③反射几乎可以完全消除;④电阻阻值易于选择。
缺点:①此电阻需要驱动源端的电流驱动,增加系统电路的功耗;②降低噪声容限。
此电阻值必须等于传输线所要求的电阻值。
电阻的一端接信号,一端接地。
简单的终端并联匹配一般不用于 TTL,COMS 电路,因为他们无法提供强大的输出电流。
3. 戴维南端接匹配:一个电阻上拉,一个电阻下拉,通常采用 R1/R2=220/330的比值。
戴维南等效阻抗必须等于走线的特性阻抗。
对于大多数设计 R1>R2,否则 TTL/COMS电路将无法工作。
优点:①适用于分布式负载;②完全吸收发送波,消除反射。
;缺点:①增加系统电路的功耗;②降低噪声容限;③使用两个电阻,增加布局、布线难度;④电阻值不易于选择。
阻抗匹配COUPLING
输出电压为Vs
系统电容
接地电感 示波器内阻等于信号内阻
示波器内阻 Ro=50ohm
4
3-1.阻抗匹配 ( COUPLING )
负载效应 ( LOAD EFFECT ) 示波器与信号源分别为不同独立回路，因此示波器量测造成信号源的损坏，依负载的大小影响程度 不同，通常搭配探头提高示波器阻抗降低负载效应。 探头增加量测系统阻抗，降低负载效应。
示波器内阻 Ro=50ohm
3
3-1.阻抗匹配 ( COUPLING )
终端阻抗 ( TERMINAL ) 一般通讯信号或阻抗设计为 50Ohm 的电路 ( 信号产生器 )，正常使用应该搭配同轴电线 ( BNC ) ，不 须使用探头。
以下图例为交流电源分析：
Vs ~
信号阻抗 Rs=50ohm
DC COUPLING 与 AC COUPLING 的差异 阻抗匹配之设定为 DC1MOhm：观测直流信号＋交流信号。 阻抗匹配之设定为 AC1MOhm：观测交流信号，而直流信号被滤波。 阻抗匹配交直流設定。
11
3-1.阻抗匹配 ( COUPLING )
交直流信号 ( DIRECT+ALTERNATING CURRENT )
3-1.阻抗匹配( COUPLING )
COUPLING 设定为 低输入电阻 50Ohm 终端电阻 50Ohm 的设计 ( BNC+50Ohm ) 无源低压探头 ( 500Ohm ) 无源低压探头 ( 5KOhm )
COUPLING 设定为高输入阻抗 1MOhm 无源电压探头 ( 10MOhm ) 无源高压探头 ( 100MOhm ) 有源差动电压探头 ( 1MOhm )
COUPLING 自动设定输入电阻 有源电压探头 ( 1MOhm ) 有源差动电压探头 ( 1MOhm ) 有源电流探头 ( 1MOhm )
微波技术1章阻抗匹配.ppt
00..3322 00..3333 00..3344 00..3355 00..3366 00..3377 00..338 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43
传输线的阻抗匹配
阻抗匹配器
2、单支节匹配器
单支节匹配器又叫短截线匹配器。它是在主传输线上并联一个分支线（终端 短路线或开路线），使在匹配器所在处向负载看过去的输入导纳正好等于特性 导纳，从而实现了负载阻抗匹配。
双支节匹配器是由固定在主线上的两个彼此 相隔一定距离而自身长度可以调节的短路支节 构成。距离一般取 λ/8, λ/4, 3λ/8。下面取λ/4讨 论其匹配原理
A
BL
Zc
Zl
A
B
l2
l1
Double Stub Matching
0.01 0.02 0W.0a3ve0l.0e4n0g.t05hs0.0t6ow
单支节匹配器的匹配原理：非匹配负载产生 反射，沿传输线移动的导纳如右图所示。一 般情况下等|Γ|圆与G＝1的等G圆总有交
.48
.47
.45.46 .04Fra bibliotek.03
.02
.49 .01
.00 .01 .02
.00 .49 .48
.03 .04
0
.47 .46
.05
.44 .05
.45 .06
点S与T，其读数为1±jB。若于ST点在
-0.2
10
1
2 3 4 5 10
double stub matching
A
λ/8 B L
Zc
1±jB
ZL
Y2 A
B
L 2
L
Y2 =+jB
1
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特征阻抗
在这个模型中，每个小电容的大小就是传输线单位长度的电容量与步长的乘积；
电流为每步时间间隔从脚底流出注入到每个电容上的电量：电容乘以其两端的电压；
每步之间的时间间隔，等于单位步长除以信号的速度。电流的求解公式如下：
I Q tC V xCL x xvVCLvV v
其中：I 表示信号电流；Q 表示每步的电量；C 表示每步的电容； t 表示从一个电容跨到另一个
阻抗匹配实例
Cadence 信号完整性分析 仿真模型：IBIS模型（Input/Output Buffer Information Specification）
拓扑结构
阻抗匹配实例
仿真结果
阻抗匹配实例
阻抗匹配实例
电阻/电容/电容等效模型
谢谢！常用的ຫໍສະໝຸດ 输线：双线传输线，同轴线，微带线。
特征阻抗
电磁场理论：特征阻抗 在自由空间，向正z方向传播的平面电磁波可写成典型的正弦波的形式：
Ex E0xcostz Hy H0ycostz
电场分量和磁场分量的比值即为特征阻抗：
H Exy Z0 0r 0r
377r r
：磁导率 ：介电常数
特征阻抗
阻抗 = 电压/电流 零阶模型：传输线瞬时阻抗
反弹图
源端阻抗匹配
源端串联40欧电阻，源端和终端的电压图
阻抗匹配方法
Smith图
等电阻圆，等电抗圆 等电导圆，等电纳圆
阻抗变换方法： 串联：使用阻抗圆 并联：使用安导圆
阻抗匹配方法
双元件：L形匹配
三元件：T形/ 形匹配
阻抗匹配方法
使用ADS软件进行阻抗匹配
ADS软件简介：ADS电子设计自动化（EDA软件全称为 Advanced Design System，是美国
Z2= 0
-1
0
反弹图
例：源电压为1V，内阻为10欧，传输线长度1ns，终端开路。
进入传输线的初始电压为：1V×50/(10+50)=0.84V。 1ns后，0.84V的电压到达传输线末端，产生0.84V反射信号返回端。终端电压为1.68V； 再经过1ns后，0.84V反射波到达源端，又一次遇到阻抗突变，源端的反射系数为(10-50)/(10+50) = -0.67 ，这时将有0.84V×(-0.67)=-0.56V反射回线远端。线远端开路处将同时测得4个行波：从一次行波中得 到2×0.84=1.68V，从二次反射中得到2×(-0.56)=-1.12V，故总电压为0.56V。
按照电路特性，求解微分方程，得出特征阻抗 Z 0
Z0V I V I
RjwL GjwC
PCB板调整微带线的特征阻抗（调整介质厚度和线宽）。
特性阻抗
对于均匀传输线，当信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的。瞬态阻
抗即为传输线的特性阻抗，标为：Z 0
著名的特性阻抗：
RG174
RG58
RG59
安捷伦（Agilent）公司所生产拥有的电子设计自动化软件；ADS功能十分强大，包含时域电 路仿真 (SPICE-like Simulation)、频域电路仿真 (Harmonic Balance、Linear Analysis)、三 维电磁仿真 、通信系统仿真(Communication System Simulation)和数字信号处理仿真设（ DSP）；支持射频和系统设计工程师开发所有类型的 RF设计，从离散的射频/微波模块到用 于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通 信系统仿真软件软件。
RG62
电视天线
有线电视电缆
双绞线
自由空间
50欧 52欧 75欧 93欧 300欧 75欧 100 – 130欧 377欧
阻抗/瞬时阻抗/特征阻抗
不同观测时刻和不同连接线长度的瞬时阻抗 下图为同轴电缆（无损耗），通过欧姆表测量轴心导体和外导体的阻抗。
阻抗/瞬时阻抗/特征阻抗
反射
如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，则一部分信号将被反射，另一
3-30KHz 30-300KHz 300-3000KHz 3-30MHz 30-300MHz 300-3000MHz 3G-30GHz 30G-300GHz 300G-3000GHz
2-4GHz
射频频率范围：通常是指从VHF到S波段
阻抗失配的示例
传输线及传输线理论
当信号的波长可于分立电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间 不变，必须把它们看做传输的波。信号采用传输线理论进行分析。
电容的时间；C L 为单位长度的电容量； x 表示步长；v 表示信号的速度；V 表示信号的电压。
传输线的瞬时阻抗为：
PCB常用微带线的瞬时阻抗：
ZV V 83 I CLvV CL
r
其中： r 表示材料的介电常数
Z83 C L
r 3 8.3 3450
特征阻抗
一阶模型：特征阻抗
特征阻抗
使用基尔霍夫电压定律得出：
R j w L I z z V z z V z
L z i m 0 V z z z V z d V d Z z R j w L I z
使用基尔霍夫电压定律得出：
I z V z z G j w C z I z z L z i m 0 I z z z I z d I d Z z G j w C V z
部分发生失真并继续传播下去。
阻抗突变处的反射：若第一个区域的瞬态阻抗是Z 1 ，第二区域的瞬态阻抗是 Z 2 ，则反
射系数（反射程度）为：
V反射=Z2-Z1
V入射 Z2 Z1
V传 输 =V入 射 +V 反 射 =Z 22 + Z Z 21
反射系数 电压
Z2 =Z1
0
V入射
Z2 =
1
2×V 入 射
射频阻抗匹配
Sun Feng 2015/06/19
IEEE频谱分段
频段
ELF（极低频） VF（音频）
VLF（甚低频） LF（低频） MF（中频） HF（高频）
VHF（甚高频） UHF（特高频） SHF（超高频） EHF（极高频）
亚毫米波 S波段
IEEE频谱
频率
30-300Hz 300-3000Hz