什么是阻抗?

具有電阻、電感和電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成，但不是三者簡單相加。如果三者是串聯(lián)的，又知道交流電的頻率f、電阻R、電感L和電容C，那么串聯(lián)電路的阻抗。

阻抗的單位是歐。

對于一個具體電路，阻抗不是不變的，而是隨著頻率變化而變化。在電阻、電感和電容串聯(lián)電路中，電路的阻抗一般來說比電阻大。也就是阻抗減小到最小值。在電感和電容并聯(lián)電路中，諧振的時候阻抗增加到最大值，這和串聯(lián)電路相反。

什么是阻抗匹配?

阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學里的一部分，是高頻設計中的一個常用概念，主要用于傳輸線上，來達至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。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于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配。

阻抗匹配主要用于確保信號或能量高效傳輸至負載端，避免反射損耗和信號失真。其核心目的是最大化功率傳輸效率，同時保證信號完整性。

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;周延一點地說，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于零的東西。

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奧姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關系，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，具有向量上的關系式，因此才會說：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

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(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)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扼關系，即電阻成份相等，電抗成份只數值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。

01信號傳輸與阻抗匹配阻抗匹配，這一在信號傳輸與設備互連中至關重要的概念，涉及負載阻抗與信源內阻抗之間的特定配合。它確保了器材在連接負載后仍能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，避免了不良影響。

△ 阻抗匹配的重要性

在電子設備互連中，如信號源與放大器、前后級之間的連接，只要后一級的輸入阻抗高于前一級的輸出阻抗5-10倍或以上，即可視為阻抗匹配良好。對于放大器與音箱的連接，電子管機需選用與其輸出端阻抗相符或相近的音箱，而晶體管放大器則無此嚴格限制，可與任何阻抗的音箱相接。阻抗匹配確保了設備穩(wěn)定工作，并避免信號反射。

△ 阻抗匹配條件

當負載阻抗與信源內阻抗相等，且它們的模與輻角均相同，此時負載阻抗上能實現無失真的電壓傳輸。若負載阻抗等于信源內阻抗的共軛值，即兩者模相等而輻角之和為零，則可在負載阻抗上獲得最大功率。這種匹配條件被稱為共軛匹配。在純阻性電路中，當負載電阻與信源內阻相等時，輸出功率達到最大，此時稱為匹配狀態(tài)，否則為失配。這種情況下，條件是當負載阻抗等于信源內阻抗或其共軛值時。

△ 阻抗匹配的本質

阻抗匹配在微波電子學中占據重要地位，主要用于確保高頻微波信號能高效傳輸至負載點，避免信號反射并提高能源利用效率。通過在信號傳輸線上串聯(lián)或接地電容或電感，可以調整負載阻抗值，從而實現匹配。阻抗匹配的本質在于負載阻抗與傳輸線的特征阻抗相等，以確保傳輸過程中無反射，從而確保所有能量都被負載完全吸收。

△ 傳輸線中的阻抗匹配

傳輸線中的阻抗匹配可以通過改變阻抗力或調整傳輸線長度和附加元件實現。如將電容或電感與負載串聯(lián)，可調整負載的阻抗值。在圖表上，這樣的操作會使點沿著代表實數電阻的圓圈移動。若將電容或電感接地，圖表上的點會先以圖中心為軸旋轉180度，隨后再沿電阻圈移動，并再次旋轉180度。如此反復，直至電阻值降至1，此時即可將阻抗力降為零，完成匹配。當在負載點與來源點之間增加傳輸線的長度時，圖表上的點會逆時針方向移動，直至抵達電阻值為1的圓圈。此時，可以通過添加電容或電感來進一步將阻抗力調整為零，從而完成匹配。

△ 特征阻抗與實際應用

特征阻抗，亦稱特性阻抗，是由傳輸線的結構和材料決定的，與傳輸線長度、信號幅度及頻率等因素無關。例如，閉路電視同軸電纜的特性阻抗通常為75歐姆，而射頻設備則常采用特征阻抗為50歐姆的同軸電纜。特性阻抗與通常理解的電阻不同，它不隨傳輸線長度變化，也無法通過歐姆表測量。為避免反射，負載阻抗應等于傳輸線的特征阻抗，這稱為傳輸線的阻抗匹配。若阻抗不匹配，會導致反射、效率降低、駐波形成、功率無法發(fā)射及設備損壞等問題。在實際應用中，需確保特性阻抗與負載阻抗相匹配，以避免這些問題的出現。

阻抗匹配的必要性

?減少信號反射?

當傳輸線阻抗與負載阻抗不匹配時，高頻信號會在接口處產生反射波，導致能量損耗和波形畸變。例如駐波現象會降低傳輸效率并可能損壞器件。 ?

?優(yōu)化功率傳輸?

阻抗匹配可使負載吸收全部入射能量，避免反射波返回源端。在通信系統(tǒng)中，這能顯著提升接收靈敏度(如低噪聲放大器前級匹配)并減少饋線損耗。 ?

?保障信號完整性?

高速PCB設計中，阻抗不匹配會引起過沖、振鈴等失真現象，尤其在射頻電路(如天線設計)中，反射會直接影響信號質量。 ?

阻抗匹配的實現方法

?解析法?

通過計算網絡參數(如電容、電感)實現匹配，適用于低頻場景。 ?

?諧振法?

利用諧振電路調整頻率響應，適用于特定頻率范圍的匹配需求。

?微帶線法?

在高頻電路中，通過微帶線結構實現阻抗連續(xù)性，可有效減少反射。 ?

?標準阻抗應用?

高速PCB設計中常采用50Ω單端阻抗和100Ω差分阻抗作為行業(yè)標準，這些值基于電磁理論折中優(yōu)化結果(如50Ω為30Ω與77Ω的幾何平均值)。