阻抗匹配（impedance matching） 主要用於傳輸線上，以此來達到所有高頻的微波信號均能傳遞至負載點的目的，而且幾乎不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。信號源內阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處於阻抗匹配狀態，簡稱為阻抗匹配。否則，便稱為阻抗失配。有時也直接叫做匹配或失配。
基本介紹
- 中文名：阻抗匹配
- 外文名：impedance matching
- 套用學科：電信 電子
概述,匹配條件,共軛匹配,匹配分類,何為阻抗,
概述
信號傳輸過程中負載阻抗和信源內阻抗之間的特定配合關係。一件器材的輸出阻抗和所連線的負載阻抗之間所應滿足的某種關係，以免接上負載後對器材本身的工作狀態產生明顯的影響。對電子設備互連來說，例如信號源連放大器，前級連後級，只要後一級的輸入阻抗大於前一級的輸出阻抗5-10倍以上，就可認為阻抗匹配良好；對於放大器連線音箱來說，電子管機應選用與其輸出端標稱阻抗相等或接近的音箱，而電晶體放大器則無此限制，可以接任何阻抗的音箱。
輸入端阻抗匹配時，傳輸線獲得最大功率；在輸出端阻抗匹配的情況下，傳輸線上只有向終端行進的電壓波和電流波，攜帶的能量全部為負載所吸收。
在阻抗失配的情況下，傳輸線上將同時存在-射波和應射波。
從傳輸的角度來說，總是竭力避免阻抗失配現象的出現，因為反射波的出現，意味著遞送到傳輸線終端的功率不能全部為負載所吸收，降低了傳輸效率；在輸送功率較高的情況下，電壓或電流的波腹有可能損壞傳輸線的介質；而且傳輸線始端的輸入阻抗隨頻率而變化，輸送多頻信號時，將因機、線阻抗難於匹配而出現失真。
阻抗匹配的程度常用電壓反射係數來衡量。
匹配條件
①負載阻抗等於信源內阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時在負載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。
②負載阻抗等於信源內阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時在負載阻抗上可以得到最大功率。這種匹配條件稱為共軛匹配。如果信源內阻抗和負載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。
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。對於不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當負載電阻等於激勵源內阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態稱為匹配，否則稱為失配。
當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內阻必須滿足共軛關係，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共軛匹配。
阻抗匹配（Impedance matching）是微波電子學裡的一部分，主要用於傳輸線上，來達到所有高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的，不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。史密夫圖表上。電容或電感與負載串聯起來，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉180度，然後才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變為零完成匹配。
共軛匹配
匹配分類
大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過改變阻抗力（lumped-circuit matching），另一種則是調整傳輸線的波長（transmission line matching）。
要匹配一組線路，首先把負載點的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化，然後把數值劃在史密夫圖表上。
1. 改變阻抗力
把電容或電感與負載串聯起來，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉180度，然後才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉180度。重複以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變為零完成匹配。
2. 調整傳輸線
由負載點至來源點加長傳輸線，在圖表上的圓點會沿著圖中心以逆時針方向走動，直至走到電阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調整為零，完成匹配。
阻抗匹配則傳輸功率大，對於一個直流電源來講，阻抗匹配時輸出效率只有50%。並且電源以對外輸出最大功率為目標，不適用阻抗匹配的條件。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無反射波。對於普通的寬頻放大器，輸出阻抗50Ω，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是如果信號波長遠遠大於電纜長度，即纜長可以忽略的話，就無須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負載阻抗要和傳輸線的特徵阻抗相等，此時的傳輸不會產生反射，這表明所有能量都被負載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時，為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個大約的數字，一般規定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆,對絞線則為 100歐姆,只是取個整而已，為了匹配方便。
何為阻抗
阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個阻字是相同的，而另一個抗字呢？簡單地說，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗；通俗一點地說，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質稱作良導體，電阻很大的物質稱作非導體，而最近在高科技領域中稱的超導體，則是一種電阻值幾近於零的東西。但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外，電容及電感也會阻礙電流的流動，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關係，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題，具有向量上的關係式，因此才會說：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。
高頻電路的阻抗匹配由於高頻功率放大器工作於非線性狀態，所以線性電路和阻抗匹配（即：負載阻抗與電源內阻相等）這一概念不能適用於它。因為在非線性（如：丙類）工作的時候，電子器件的內阻變動劇烈：通流的時候，內阻很小；截止的時候，內阻接近無窮大。因此輸出電阻不是常數。所以所謂匹配的時候內阻等於外阻，也就失去了意義。因此，高頻功率放大的阻抗匹配概念是：在給定的電路條件下，改變負載迴路的可調元件，使電子器件送出額定的輸出功率至負載。這就叫做達到了匹配狀態。
阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。
阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅動一個負載入手。由於實際的電壓源，總是有內阻的，我們可以把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯的模型。假設負載電阻為R，電源電動勢為U，內阻為r，那么我們可以計算出流過電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負載電阻R越小，則輸出電流越大。
負載R上的電壓為：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，負載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。
再來計算一下電阻R消耗的功率為： 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}
對於一個給定的信號源，其內阻r是固定的，而負載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，當R=r時，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，當負載電阻跟信號源內阻相等時，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。
對於純電阻電路，此結論同樣適用於低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時，結論有所改變，就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等，虛部互為相反數，這叫做共軛匹配。
在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負載之間的情況，因為低頻信號的波長相對於傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因為線短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的）。
阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅動一個負載入手。由於實際的電壓源，總是有內阻的，我們可以把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯的模型。假設負載電阻為R，電源電動勢為U，內阻為r，那么我們可以計算出流過電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負載電阻R越小，則輸出電流越大。
負載R上的電壓為：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，負載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。
再來計算一下電阻R消耗的功率為： 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}
對於一個給定的信號源，其內阻r是固定的，而負載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，當R=r時，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，當負載電阻跟信號源內阻相等時，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。
對於純電阻電路，此結論同樣適用於低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時，結論有所改變，就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等，虛部互為相反數，這叫做共軛匹配。
在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負載之間的情況，因為低頻信號的波長相對於傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因為線短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的）。
從以上分析我們可以得出結論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內阻匹配的電阻R。
有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來的性能，這時我們也會叫做阻抗失配。
在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特徵阻抗跟負載阻抗不匹配（相等）時，在負載端就會產生反射。為什麼阻抗不匹配時會產生反射以及特徵阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這裡我們不細說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。
有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來的性能，這時我們也會叫做阻抗失配。
在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特徵阻抗跟負載阻抗不匹配（相等）時，在負載端就會產生反射。為什麼阻抗不匹配時會產生反射以及特徵阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這裡我們不細說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。
