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。然而阻抗匹配的概念可以推广到交流电路，当负载阻抗与信号源阻抗共轭时，能够实现功率的最大传输，如果负载阻抗不满足共轭匹配的条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络，将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭，实现阻抗匹配。 匹配分类 大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuit matching），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching）。 要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。 1. 改变阻抗力 把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
附件1： 基础训练 题目阻抗匹配网络的计算 学院自动化学院 专业电气工程及其自动化 班级1004班 姓名南杨 指导教师朱国荣 2012 年7 月 4 日
基础强化训练的目的 1.较全面的了解常用的数据分析与处理原理及方法 2.能够运用相关软件进行模拟分析 3.掌握基本的文献检索和文献阅读的方法 4.提高正确的撰写论文的基本能力 训练内容与要求 阻抗匹配网络的计算 使信号源（其内阻Rs=12Ω）与负载（RL=3Ω）相匹配 插入一阻抗匹配网络 求负载吸收的功率 初始条件 Matlab软件基本操作及其使用方法 指导老师签名﹍﹍﹍﹍日期：﹍﹍年﹍﹍月﹍﹍日
目录 1.摘要 (4) 2.MATLAB简介 (5) 3.阻抗及阻抗匹配的概念 (6) 3.1阻抗的概念 (6) 3.2阻抗匹配的概念 (6) 4.阻抗匹配网络的计算 (6) 4.1对阻抗匹配网络进行原理分析 (7) 4.2 建模： (7) 4.3应用MATLAB对上面的题目编程 (8) 4.4 结果 (9) 5.结果对比与分析 (10) 6.心得体会. (11) 7.参考文献. (12)
1. 摘要 本文主要是通过训练使学生掌握相关的理论知识及实际处理方法，熟练使用MATLAB语言编写所需应用程序，上机调试，输出实验结果，并对实验结果进行分析。MATLAB 的名称源自 Matrix Laboratory ，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。 MATLAB 将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。 本文运用了MATLAB的M程序编程的方法对于一个电路进行了分析。体现了MATLAB的强大功能。 关键字：MATLAB，M文件，矩阵，计算 Abstract This paper is mainly to ask students to master relevant theoretical knowledge and practical operating methods by training. We should use MATLAB to write applications, computer debugging, then output results and analysis it. The full name of MATLAB is Matrix Laboratory. It is a kind of special scientific calculation software with the matrix form data processing. Because MATLAB not only combines the high-performance numerical calculation and visualization, but also provided a lot of built-in functions, it widely used in scientific calculations, the control system, information processing, simulation and design work. This paper is based on the M programming and design methods of module simulink. We use these two methods to analyzes the circuit.We can see the strong function of MATLAB. keyword: MATLAB, M files, simulation module, Matrix, calculating
阻抗匹配和阻抗变换是什么?阻抗变换和阻抗匹配的详细概述阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间，等等。例如，扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配，不匹配时，扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器。如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗，扩音机就处于过载状态，其末级功率放大管很容易损坏。反之，如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多，会引起输出电压升高，同样不利于扩，音机的工作，声音还会产生失真.因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好。又例如，无线电发信机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致。如果阻抗值不一致，发信机输出的高频能量将不能全部由天线发射出去。这部分没有发射出去的能量会反射回来，产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层及发信机末级功放管的损坏。为了使信号和能量有效地传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态，即信号源或功率源的内阻等于电路的输人阻抗，电路的输出阻抗等于负载的阻抗。在一般的输入、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件，由它们所组成的电路称为电抗电路，其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路. 下面对纯电阻电路和电抗电路的阻抗匹配问题分别进行简要的分。1、纯电阻电路在中学物理电学中曾讲述这样一个问题：把一个电阻为R的用电器，接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上(见图1)，在什么条件下电源输出的功率最大呢?当外电阻等于内电阻时，电源对外电路输出的功率最大，这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路，同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。 2、电抗电路电抗电路要比纯电阻电路复杂，电路中除了电阻外还有电容和电感.元件，并工作于低频或高频交流电路。在交流电路中，电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗，用字母Z表示.其中，电容和电感对交流电的阻碍作用，分别称为容抗及和感抗而.容
在理解阻抗匹配前，先要搞明白输入阻抗和输出阻抗 阻抗匹配（impedance matching）是指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。对于低频电路和高频电路，阻抗匹配有很大的不同。 在理解阻抗匹配前，先要搞明白输入阻抗和输出阻抗。 一、输入阻抗 输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。 输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样，它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。因此，我们可以这样认为：如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好（注：只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题),另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配问题。 二、输出阻抗 无论信号源或放大器还有电源，都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来，对于一个理想的电压源（包括电源），内阻应该为0，或理想电流源的阻抗应当为无穷大。但现实中的电压源，则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻r 的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r，就是（信号源/放大器输出/电源）内阻了。 当这个电压源给负载供电时，就会有电流I 从这个负载上流过，并在这个电阻上产生I ×r 的电压降。这将导致电源输出电压的下降，从而限制了最大输出功率（关于为什么会
摘要 射频设计的主要工作之一，就是使电路的某一部分与另一部分相匹配，在这两部分之间实现最大功率传输，这就需要在射频电路中加入阻抗变换器从而达到阻抗匹配的目的。本文介绍了一种中心频率为400MHz、频宽为40MHz的50～75欧姆T型阻抗变换器的设计与仿真过程。文中概述了射频阻抗变换器的种类、用途及发展。在分析了阻抗匹配理论基本知识的基础上，论述了射频阻抗变换器的设计过程，然后通过ADS软件进行设计和仿真,并对仿真结果进行了分析总结。 关键词:射频；阻抗匹配；阻抗圆图；VSWR（电压驻波比）；ADS 目录 摘要 (1) ABSTRACT................................................ 错误！未定义书签。第一章引言 (2) 1.1 概述 (2) 1.2 射频阻抗变换电路的类型 (2) 1.3 射频阻抗变换器的用途 (2) 1.4射频阻抗变换器设计的发展 (3) 第二章基本原理 (3) 2.1 阻抗匹配 (3) 2.2 史密斯圆图 (4) 2.2.1 等反射圆 (4) 2.2.2 等电阻圆图和等电抗圆图 (5) 2.2.3 Smith圆图（阻抗圆图） (7) 2.3 电压驻波比 (8) 第三章 T型阻抗变换器的设计 (9) 3.1 T型阻抗变换器（R S 功率放大器设计的关键：输出匹配电路的性能 2008-05-15 17:51:20 作者：未知来源:电子设计技术 关键字：功率放大器匹配电路匹配网络s参数串联电阻输出功率Cout耗散功率网络分析仪高Q值对于任何功率放大器（功率放大器）设计，输出匹配电路的性能都是个关键。但是，在设计过程中，有一个问题常常为人们所忽视，那就是输出匹配电路的功率损耗。这些功率损耗出现在匹配网络的电容器、电感器，以及其他耗能元件中。功率损耗会降低功率放大器的工作效率及功率输出能力。 因为输出匹配电路并不是一个50Ω的元件，所以耗散损失与传感器增益有很大的区别。输出匹配的具体电路不同，损耗也不一样。对于设计者而言，即使他没有选择不同技术的余地，在带宽和耗散损失之间，在设计方面仍然可以做很多折衷。 匹配网络是用来实现阻抗变化的，就像是功率从一个系统或子系统传送另一个系统或者子系统，RF设计者们在这上面下了很大的功夫。对于功率放大器，阻抗控制着传送到输出端的功率大小，它的增益，还有它产生的噪声。因此，功率放大器匹配网络的设计是性能达到最优的关键。 损耗有不同的定义，但是这里我们关心的是在匹配网络中，RF功率以热量的形式耗散掉的损耗。这些损耗掉的功率是没有任何用途。依据匹配电路功能的不同，损耗的可接受范围也不同。对功率放大器来讲，输出匹配损耗一直是人们关注的问题，因为这牵涉到很大的功率。效率低不仅会缩短通话时间，而且还会在散热和可靠性方面带来很大的问题。 例如，一个GSM功率放大器工作在3.5V电压时，效率是55%，能够输出34dBm的功率。在输出功率为最大时，功率放大器的电流为1.3A。匹配的损耗在0.5dB到1dB的数量级，这与输出匹配的具体电路有关。在没有耗散损失时，功率放大器的效率为62%到69%。尽管损耗是无法完全避免的，但是这个例子告诉我们，在功率放大器匹配网络中，损耗是首要问题。 耗散损失 现在我们来看一个网络，研究一个匹配网络（图1a）中的耗散损失。电源通过无源匹配网络向无源负载传输功率。在电源和负载阻抗之间没有任何其他的限制。把匹配网络和负载合在一起考虑，电源输出一个固定量的功率Pdel 到这个网络（图1b）。输出功率的一部分以热量的形式耗散在匹配网络中。而其余的则传输到负载。Pdel是传输到匹配网络和负载（图1c）上的总功率，PL是传输到负载的那部分功率。 了解了这两个量，我们就可以知道，实际上到底有多大的一部分功率是作为有用功率从电源传输到了负载，其比例等于PL/Pdel。 这是对功率放大器输出匹配的耗散损失的正确测量，因为它只考虑了实际传输功率以及耗散功率。反射功率没有计算进去。 由此可知，这个比例就等于匹配网络工作时的功率增益GP。而工作时的功率增益完整表达式为： 这里，是负载反射系数，是匹配网络的s参数， 损失就是增益的倒数。因此，耗散损失可以定义为： Ldiss = 1/GP。 对于功率放大器而言，我们为它设计的负载一般是50Ω。通常，我们用来测量s参数的系统阻抗也是50Ω。如果系统阻抗和负载都是50Ω，那么就为0，于是，上面的表达式就可以简化为： 在计算一个匹配网络的耗散损失时，只需要知道它的传输值和反射散射参数的大小，这些可以很容易地从s参数的计算过程中得到，因为网络分析仪通常都会采用线性的方式来显示s参数的值。在评估输入和级间耗散损失时，负载的阻抗不是50Ω，但是上述的规律依然适用。 因为反射和耗散损失很容易混淆，射频工程师有时就会采用错误的方法来计算耗散损失。而最糟糕的方法就是采用未经处理的s21来进行计算。一个典型的匹配网络在1GHz（图2）时，对功率放大器而言，是数值为4+j0Ω的负载阻抗。匹配网络采用的是无损耗元件来进行模拟的，所以在匹配网络中不存在功率的耗散问题。然而，s21却是-6dB，因为在50Ω的源阻抗和4Ω的负载之间存在着巨大的不匹配问题。作为一个无损耗网络，除了一些数字噪音外，模拟的耗散损失为0dB。 在电路的模拟当中，我们可能可以采用s21来求出正确的耗散损失。这一过程包括采用复杂模拟负载线的共轭 输入阻抗、输出阻抗、阻抗匹配分析 输入阻抗 四端网络、传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗,才能进行阻抗匹配,从信号源、传感器等获取输入信号。阻抗是电路或设备对交流电流的阻力,输入阻抗是在入口处测得的阻抗。高输入阻抗能够减小电路连接时信号的变化,因而也是最理想的。在给定电压下最小的阻抗就是最小输入阻抗。作为输入电流的替代或补充,它确定输入功率要求。 天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比。其值表征了天线与发射机或接收机的匹配状况,体现了辐射波与导行波之间能量转换的好坏。 输出阻抗 阻抗是电路或设备对交流电流的阻力,输出阻抗是在出口处测得的阻抗。阻抗越小,驱动更大负载的能力就越高。 输入阻抗和输出阻抗在很多地方都用到,非常重要。 首先,输入阻抗和输出阻抗是相对的,我们先要明白阻抗的意思。 阻抗,简单的说就是阻碍作用,甚至可以说就是电阻,即一种另一层意思上的等效电阻。 引入输入阻抗和输出阻抗这两个词,最大的目的是在设计电路中,要提高效率,即要达到阻抗匹配,达到最佳效果。 有了输入输出阻抗这两个词,还可以方便两个电路独立的分开来设计。当A电路中输入阻抗和B电路的输出阻抗相同(或者在一定范围时,两个电路就可不作任何更改,直接组合成一个更复杂的电路(或者系统。 由上也可以得出:输入阻抗和输出阻抗实际上就是等效电阻,单位自然就是欧姆了。 一、输入阻抗 输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。 输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对 信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题。另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑阻抗匹配问题 二、输出阻抗 无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来,对于一个理想的电压源(包括电源,内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。输出阻抗在电路设计最特别需要注意 但现实中的电压源,则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r,就是(信号源/放大器输出/电源的内阻了。当这个电压源给负载供电时,就会有电流I从这个负载上流过,并在这个电阻上产生I×r的电压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率(关于为什么会限制最大输出功率,请看后面的“阻抗匹配”一问。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的 三、阻抗匹配 变压器和其阻抗 理想变压器是一个端口的电压与另一个端口的电压成正比，且没有功率损耗的一种互易无源二端口网络。它是根据铁心变压器的电气特性抽象出来的一种理想电路元件。 理想变压器阻抗变换作用的性质由以上的全部叙述可见，理想变压器既能变换电压和电流，也能变换阻抗，因此，人们更确切地称它为变量器。 在电子线路中，常利用理想变压器的阻抗变换作用来实现阻抗匹配，使负载获得最大功率。 1.在电子设备中，往往要求负载能获得最大输出功率。负载若要获得最大功率，必须满足负载电阻与电源电阻相等的条件，称为阻抗匹配。但在一般情况下，负载电阻是一定的，不能随意改变。而利用变压器可以进行阻抗变换，适当选择变压器的匝数比，把它接在电源与负载之间，就可实现阻抗匹配，使负载获得最大的输出功率。 如图，从变压器原绕组两端点看进去的阻抗为 从变压器副绕组两端点看进去的阻抗为 因为 表明：变比为K的变压器，可以把其副绕组的负载阻抗，变换成为对电源来说扩大到K2倍的等效阻抗。 2. 假说变压器初级/次级的匝数比为n:1，根据变压器的特性，次级电压为初级的1/n，电流为初级的n倍。 初级阻抗=初级电压/初级电流 次级阻抗=次级电压/次级电流=(1/n)初级电压/(n初级电流)=[1/(nn)]初级阻抗。或者说初级阻抗=(nn)次级阻抗。 这说明，变压器各线圈的阻抗，与线圈匝数的平方成正比。利用这一特点，可以用变压器不同匝数的线圈来变换阻抗。最简单的，就是电视机天线，用扁馈线时阻抗是300Ω，接电视机的天线输入端是75Ω，必须用一个阻抗变换插座，其中就是一个铁氧体磁芯的2：1的变压器，将300Ω与75Ω进行阻抗匹配。 3. 变压器除了可变压外还可作为一个阻抗变换器件，这在有线广播中经常用到。变压器的初次级的匝数比n=n1/n2=V1/V2,V1、V2分别是初、次级的电压，n1、n2分别为初、次级的绕组匝数。又有V1V1=PZ1、V2V2=PZ2 式中P是变压器的功率，Z1、Z2分别是初次的阻抗， 所以有Z1/Z2=V1V1/V2/V2=n1n1/n2n2 即变压器的初次级阻抗比等于初次级电压比的平方和等于匝数比的平方。 一、阻抗匹配概念 定义: 1、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。 2、阻抗匹配（Impedance matching）是微波电子学里的一部分，主要用于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，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。 我们以下例（软管送水浇花）来感性认识一下阻抗匹配的功用 A、一端于手握处加压使其射出水柱，另一端接在水龙头，。当握管处所施压的力道恰好，而让水柱的射程正确洒落在目标区.如下图所示： B、然而一旦用力过度水注射程太远，不但腾空越过目标浪费水资源。也有可能因强力水压无处宣泄，以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱(阻抗太高)；如下图所示： C、反之，当握处之挤压不足以致射程太近者，则照样得不到想要的结果。(阻抗太低)，如下图所示；唯有拿捏恰到好处才能符合实际需求的距离。(阻抗匹配) 二、PCB走线的阻抗匹配与阻抗控制 （1）定义 阻抗匹配是电路学里的重要议题，也是射频微波电路的重点。一般的传输线都是一端接电源，另一端接负载，此负载可能是天线或任何具有等效阻抗ZL的电路。传输线阻抗和负载阻抗达到匹配的定义，简单说就是：Z0=ZL。在阻抗匹配的环境中，负载端是不会反射电波的，换句话说，电磁能量完全被负载吸收。因为传输线的主要功能就是传输能量和传送电子讯号或数字数据，一个阻抗匹配的负载和电路网络，将可确保传输到最终负载的电磁能量值能达到最大量。 （2）PCB走线作阻抗控制的原因 1：针对目前高频高速的要求，及对信号失真状况越来越高的要求，在设计PCB时方波信号在多层板讯号线中，其特性阻抗值必须要和电子元件的内置电子阻抗相匹配，才能保证信号的完整的传输。 2：当特性阻抗值超出公差时，所传讯号的能量将出现反射、散失、衰减或延误等劣化现象，严重时会出现错误讯号。 3：由于元件的电子阻抗越高，其传输速率越快。总之，是为了配合电子元器件的电子阻抗，避免信号传输时失真的现象，所以要控制阻抗。 (3)、决定阻抗控制大小的因素，主要包括以下几个方面： 1、W-----线宽/线与地平面间距 2、H----绝缘介质厚度 3、T------铜厚 4、H1---绿油厚 5、Er-----介电常数 6、参考地平面层 射频信号在多层板传输线（Transmission Line，是由信号线、介质层、及接地层三者所共同组成）中所进行的快速传送；如下图所示： 三、PCB阻抗控制线计算概述 对于常见的FR4 板材的 PCB 板上， 对于微带线，线宽 W 是介质厚度 h的2 倍。对于带状线，线条两侧介质总厚度b 是线宽 W 的两倍(估算法)；精确计算公式分别如下所示： 怎样理解阻抗匹配 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=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2) =U2×R/[(R-r)2+4×R×r] =U2/{[(R-r)2/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)2/R]，当R=r时，[(R-r)2/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=U2/(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，这叫做共扼匹配。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。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。 在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配）时，在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。 例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上 1/4波长阻抗变换器的分析 摘要：阻抗匹配网络已经成为射频微波电路中的重要组成部分，主要是由于匹配使得电路中的反射电压波变少，从而损耗减少。同时，匹配网络对器件的增益，噪声，输出功率还有着重要的影响。在微波传输系统，它关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性，关系到微波测量的系统误差和测量精度，以及微波元器 λ 件的质量等一系列问题。本文讨论了传输线的阻抗匹配方法，并着重分析了4 λ阻抗变换器的优点。 阻抗变换器，并举例说明了多节4 关键字：阻抗匹配;匹配网络；匹配方法，阻抗变换器 1引言 传输理论指出，通常情况下，传输线传输的电压或电流是由该点的入射波和反射波叠加而成的，或者说是由行波和驻波叠加而成的。 在由信号源及负载组成的微波系统中，如果传输线和负载不匹配，传输线上将形成驻波。有了驻波一方面使传输线功率容量降低，另一方面会增加传输线的衰减。如果信号源和传输线不匹配，既会影响信号源的频率和输出功率的稳定性，又会使信号源不能给出最大功率、负载又不能得到全部的入射功率。因此传输线一定要匹配。 匹配可分为始端匹配和终端匹配。始端匹配是为了使信号源的输出功率最大，采用的方法是共轭匹配；终端匹配是为了使传输线上无反射波，使传输功率最大，采用的方法是阻抗匹配。 2.匹配理论 2.1共轭匹配 共轭匹配的目的是使信号源的功率输出最大，这就要求传输线信号源的内阻和传输线的输入阻抗互成共轭值。 假设信号源的内组为g g g jX R Z +=，传输线的输入阻抗为in in in jX R Z +=，如图1.1所示。 则 * =g in Z Z 即 g in g in X X R R -==, 目录 摘要 (1) 1 理论知识 (2) 1.1基尔霍夫定律 (2) 1.2结点电压法 (2) 2 阻抗匹配网络的计算 (3) 2.1原理分析 (3) 2.2 建模 (4) 2.3应用MATLAB对上面的题目编程 (5) 2.4 绘图 (6) 3 simulink程序仿真 (8) 3.1电路图及仿真效果 (8) 3.2仿真过程中发现的问题 (9) 4 结果对比分析 (10) 5 心得体会 (11) 参考文献 (12) 摘要 做为一名自动化专业的学生，掌握基本的电路知识是非常重要的。但是在掌握基本的知识点的时候，我们也需要掌握一些解决电路方面的“诀窍”，比如某些软件。本文就以电路中的一些基本知识点引入这些软件在解决电路问题中的一些具体应用。而且本文是以Matlab为例，说明如何运用Matlab来进行电路的求解和仿真。 在求解和仿真的过程中，我们可以发现应用这些软件可以让非常复杂的电路的分析、计算编的非常简单，是一个非常实用、有效的工具。 关键词：电路；Matlab；仿真； 1 理论知识 1.1基尔霍夫定律 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。 基尔霍夫电流定律（KCL）：在集总电路中，任何时候，对任意结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒为零。电流的“代数和”是根据电流是流出结点还是流入结点判断的。若流出节点的电流前面取“+”号，则流入结点的电流前面取“-”号；电流是流出结点还是流入结点，均根据电流的参考方向判断。所以对任一结点都有 Σi=0； 基尔霍夫电压定律（KVL）: 在集总电路中，任何时候，对任意回路，所有支路电压的代数和恒为零。在应用时，需要任意指定一个回路的绕行方向，凡是支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致者，该电压前面取“+”号；支路电压参考方向与回路绕行方向相反者，前面取“-”。最后，对任一回路都有 Σu=0； 1.2结点电压法 定义：结点电压是在为电路任选一个结点作为参考点（此点通常编号为“0”），并令其电位为零后,其余结点对该参考点的电位。并根据KCL写出方程，求出每个结点的电压。 在电路中任意选择某一结点为参考结点，其他结点为独立结点，这些结点与次参考结点之间的电压称为结点电压，结点电压的参考极性是以参考结点为负，其余独立结点为正。由于任意支路都连接在两个节点上，根据KVL，不难断定支路电压就是两个结点电压表示。在具有n个结点电压的共（n-1）个独立结点的KCL方程，就得到变量为（n-1）个独立方程，称为结点电压方程，最后由这些方程解出结点电压，从而求出所需的电压、电流。这就是结点电压法。 关于阻抗、阻抗匹配和电容的作用 关于阻抗、阻抗匹配和电容的作用收藏 1. 阻抗的概念 在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。常用Z来表示，它的值由交流电的频率、电阻R、电感L、电容C相互作用来决定。由此可见，一个具体的电路，其阻抗是随时变化的，它会随着电流频率的改变而改变。 2. 阻抗匹配的概念 阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达到所有高频微波信号都能传至负载的目的，不会有信号反射回来源点，从而提高能源效益。如果不匹配有什么后果呢？如果不匹配，则会形成反射，能力传递不过去，降低效率，会在传输线上形成驻波，导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，则会产生震荡，辐射干扰等。其对整个系统的影响是非常严重的。而在低频电路中,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（因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的）。 当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢？第一,可以考虑使用变压器来做阻抗转换。第二,可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试 射频电路时常使用，在一般电路设计较为少用。第三,可以考虑使用串联/并联电阻的办法，即为串联终端匹配和并联终端匹配。 下面针对第三种匹配方法做简单的介绍， 1）、串联终端匹配 串联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动能力。 串联终端匹配后的信号传输具有以下特点： A 由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播； B 信号在负载端的反射系数接近＋1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50％。 C 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同； D 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；？ E 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。选择串联终端匹配电阻值的原则很简单，就是要求匹配电阻值与驱动器 射频电路设计实训报告 设计题目阻抗变换器设计 系别 年级专业 设计组号 学生姓名/学号 指导教师 摘要：射频设计的主要工作之一，就是使电路的某一部分与另一部分相匹配，在这两部分之间实现最大功率传输，这就需要在射频电路中加入阻抗变换器从而达到阻抗匹配的目的。阻抗变换器就是起到将压电传感器的高阻抗变换为信号放大处理部分需要的低阻抗。本设计是关于阻抗匹配和阻抗转换器的一些阻抗匹配电路以及阻抗匹配的方法，用以实现匹配以及50Ω到75Ω以及75Ω到50Ω的阻抗转换器。从而得到所需要的输出阻抗以达到变换的目的。本次实验以2个无源阻抗匹配器为例，分别采用简单的电容电感的方式设计所需要的阻抗转换器，制作出实物并进行测试。 Abstract: One of the main RF design is a part of the circuit and the other part of the match between the two parts to achieve maximum power transfer, which requires adding the RF circuit impedance converter to achieve impedance matching purposes. Impedance transformer is played to a high impedance piezoelectric sensor signal amplification process is transformed into some of the needs of low impedance. This design is about impedance matching and impedance converter circuit and impedance matching impedance matching some of the methods used to achieve matching and 50Ω to 75Ω and 75Ω to 50Ω impedance converter. In order to get the required output impedance of achieving the purpose of transformation. The experiment with two passive impedance matching device, for example, capacitance and inductance, respectively, a simple way to design the required impedance converter to produce a physical and tested. 关键词： 射频设计 阻抗变换器 阻抗匹配 无源 一、基本阻抗匹配理论 当负载阻抗与传输线特性阻抗不相等或连接两段特性阻抗不同的传输线时，由于阻抗不匹配会产生反射现象，从而导致传输系统的功率容量和传输效率下降，负载不能获得最大功率。为了消除这种不良反射现象，可在其间接入阻抗变换器，以获得良好的匹配。 由图2－1（a ）可知，当R L =R S 时可得最大输出功率，称此状况为匹配状态。 图（a ） 输入输出功率关系图 图（b ） 广义阻抗匹配 此时：2 2 2 () S out L L S L V P I R R R R =?=?+ L S R k R =? 22 (1) S S in S L S V V P R R R k == ++ ? 1o u t i n k P P k =?+ 推而广之，如图2－1（b ）所示，当输入阻抗Z S 与负载阻抗Z L 互为共轭，即Z S =Z L * 时，形成广义阻抗匹配。因此，阻抗匹配电路亦可称为阻抗变换器。 ADS软件学习及阻抗匹配电路的仿真设计 专业班级：电子信息科学与技术3班 姓名： 学号： 一、实验内容 用分立LC设计一个L型阻抗匹配网络，实现负载阻抗（30+j*40）(欧姆) 到50(欧姆)的匹配，频率为1GHz。 二、设计原理 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，它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。 要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗匹配，这不仅仅是为了减小功率损耗，还具有其他功能，如减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。通常认为，匹配网络的用途就是实现阻抗变换，就是将给定的阻抗值变换成其他更合适的阻抗值。 基本阻抗匹配理论: ——（1） ——（2），由（1）与(2)可得：——（3） 当RL=Rs时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。无论负载电阻大于还是小于信号源内阻，都不可能使负载获得最大功率，且两个电阻值偏差越大，输出功率越小。 广义阻抗匹配： 阻抗匹配概念可以推广到交流电路，当负载阻抗ZL与信号源阻抗Zs共轭时，即ZL=Zs，能够实现功率的最大传输，称作共轭匹配或广义阻抗匹配。 如果负载阻抗不满足共轭匹配条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络N，将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭，实现阻抗匹配。 三设计过程 1、新建ADS工程，新建原理图。在元件面板列表中选择“Simulation S--param”,在原理图中放两个Term和一个S-Parameters控件，分别把Term1设置成Z=5Oohm,Term2 设置成Z=30+j*40ohm，双击S-Parameters控件，弹出设置对话框，分别把Start设置成10MHz,Stop设置成2GHz，Step-size设置成1MHz。 2、在原理图里加入Smith Chart Matching 控件，并设置相关的频率和输入输出阻抗等参数。 3、连接电路。 4、在原理图设计窗口，执行菜单命令tools->Smith Chart,弹出Smart Component，选择“Update SmartComponent from Smith Chart Utility”，单击“OK”。 5、设置Freq=0.05GHz，Z0=50ohm。单击DefineSource /load Network terminations 按钮，弹出“Network Terminations”对话框，设置源和负载阻抗，然后依次单击“Apply”和“OK”。 6、采用LC分立器件匹配。 7、单击“Build ADS Circuit”按钮，即可以生成相应的电路。 8、进行仿真，要求其显示S(1,1)和S(2,1)单位为dB的曲线。 第一章 选频网络与阻抗变换 思考题与习题 1.1 已知LC 串联谐振回路的C =100pF ，0f =1.5MHz ，谐振时的电阻5r =Ω，试求：L 和 0Q 。 解：由 0f = 得 2612 011 (2)(2 1.510)10010 L f C ππ-= =???? 6 112.610112.6H H μ-=?= 66 002 1.510112.6105 L Q r ωπ-????== 212.2= 1.2 对于收音机的中频放大器，其中心频率0f =465kHz ，0.7BW =8kHz ，回路电容C=200pF ，试计算 回路电感L 和e Q 的值。若电感线圈的0Q =100，问在回路上应并联多大的电阻才能满足要求？ 解：由 0f = 得 2220012533025330585.73(μH)(2)0.465200 L f C f C π= ==≈? 由 0 0.7e f BW Q = 得 00.7465 58.1258 e f Q BW = == 00 310 001100171(k )2246510210eo Q R Q C f C ωππ-===≈Ω???? 058.12517199.18(k )100 e eo Q R R Q ∑= =?=Ω 外接电阻 017199.18 236.14(k )17199.18 eo e R R R R R ∑∑?= =≈Ω-- 1.3 有一并联回路在某频段内工作，频段最低频率为535kHz ，最高频率1605 k Hz 。现有两 个可变电容器，一个电容器的最小电容量为12pF ，最大电容量为100 pF ；另一个电容 器的最小电容量为15pF ，最大电容量为450pF 。试问： 1）应采用哪一个可变电容器，为什么？ 2）回路电感应等于多少？ 3）绘出实际的并联回路图。 解：1） max max min min '1605 3'535 f C f C === 因而 max min '9'C C = 但 100912<， 450 30915 => 因此应采用max min = 450PF, = 15pF C C 的电容器。 但因为 max min 30C C =，远大于9，因此还应在可变电容器旁并联一个电容C X ，以使max min C C X X C C ++=3， 解之得 C X ≈40pF 。 2） 将max 'C =C X +max C =490pF 代入 22 2min max min max 12533025330 180(μH)(2)''0.535490 L f C f C π= ==≈? 3）实际的并联回路如下 1.4 给定并联谐振回路的0f ＝5MHz ，C ＝50 pF ，通频带0.7BW ＝150kHz 。试求电感L 、品质 因数0Q 以及对信号源频率为5.5MHz 时的失调。又若把0.7BW 加宽至300kHz ，应在回路 两端再并联上一个阻值多大的电阻？ 解：回路电感值为 22 2001253302533020.2 μH 550 L C f C ω= ===? 又 0 0.70 f BW Q =ADS阻抗匹配原理及负载阻抗匹配
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