传输线阻抗匹配问题浅析

2016-04-18中国电子科技集团第三十八研究所

电子制作 2016年20期

关键词：阻抗匹配入射波传输线

张伟中国电子科技集团第三十八研究所

传输线阻抗匹配问题浅析

张伟中国电子科技集团第三十八研究所

介绍了传输线阻抗匹配的原理以及匹配方法，介绍了两种传输线阻抗计算的经验公式，在此基础上讨论了影响传输线阻抗控制的主要因素。

传输线；阻抗匹配；因素

引言

1. 传输线阻抗的物理含义

在电路分析中，信号传输的连接线称为传输线。下面介绍两个与传输线特性密切相关的概念。

(1)特征阻抗：它是沿传输线上分布电容和电感的等效，其物理含义是入射波的电压与电流的比值或反射波的电压与电流的比值。

传输线的特征阻抗是：

其中Z为传输线的特征阻抗；L，C分别是传输线的分布电感抗和分布电容。

(2)反射系数：反射波电压与入射波电压之比。

反射系数是：

其中Z1是传输线的特征阻抗；Z2是传输线的负载阻抗。

图2

2.阻抗匹配及其重要性

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。当传输线的负载阻抗与传输线特征阻抗相等时，线上只存在入射波而无反射波，我们称之为负载阻抗匹配。图1就是传输线示意图，Zc是传输线的特征阻抗，Zl为终端负载阻抗。之所以强调阻抗匹配问题，是因为阻抗匹配对信号的传输具有以下重要意义。

从试验中可以看出,在毛水头6.2m时,发电功率最大时的转速为234～252 rpm/min之间，相应电机极数为26极（230 rpm/min）至 24极（250 rpm/min）之间。经查有关水轮机资料，水头在6.2 m左右的水轮机的转速也在250 rpm/min以下，试验的结论和水轮发电机是吻合的。

(1)当Zl≠Zc时，传输线上除了会出现入射波外，还会出现反射波，称之为阻抗控制失配现象。反射波的存在意味着传送到传输线终端的功率不能全部为负载所吸收，从而降低了传输效率。

当Zl＞Zc，电压信号发生正向反射，电流信号发生负向反射；

当Zl＜Zc，电压信号发生负向反射，电流信号发生正向反射。

(2)当Zl≠Zc时，传输线上同时存在着行波和驻波，若信号电压比较高，则在电压波腹点容易产生介质击穿的现象。如欲避免击穿，势必采用尺寸较大和耐压较高的传输线，从而加大了投资。

(3)在行波和驻波同时存在的情况下，电流波腹点附近的电流振幅也高于正常值，产生的热量也比较大，附近的绝缘易被烧坏。

(4)在存在反射波的情况下，从传输线始端向传输线看入的阻抗都将随着频率而变化。当用来传输含有若干频率的信号时，将使信号产生失真。

由以上可知，传输线上阻抗不匹配会引起信号反射，减小和消除反射的方法是根据传输线的特征阻抗在其发送端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使反射系数等于零，这种情况称传输线阻抗达到了完全匹配，无任何信号反射，这是传输线路追求的理想境界。

3. 影响传输线阻抗匹配的主要因素

在电路中，传输线一般分为两种：微带线(microstrip)；带状线(stripline)，如图2所示，本文针对第一种传输线作分析。

微带线阻抗近似计算公式：

Z为微带线的阻抗；Er为电介质的介电常数；T为传输线的厚度；w为传输线的宽度；H

影响传输线阻抗的因素主要有:铜线的宽度(w)，铜线的厚度(T)，介质的介电常数(Er)，介质的厚度(H)，焊盘的厚度，地线的路径，周边的走线等，在具体加工时，一般主要因素：w、Er、H。

当然影响阻抗匹配不仅是上述3个因素，上面所提的只是比较而言影响度较大的几个因素。对于高频信号传输，应尽可能的走短线，如果可能要在信号线的周围铺地作保护；对于有高分布电容的负载，也应该用短而粗的走线形式，走线越长，阻抗匹配的形式就越复杂。

4. 阻抗匹配方法

通常可以利用匹配网络来实现，使用电容电感实现阻抗匹配，在低频段使用变压器、L形、π形、T 形电路实现匹配，这类电路体积小、结构简单、应用广泛。低频段采用传输线变压器可以实现宽带阻抗变换；使用电感和电容性的元件组成L形匹配电路；而π形、T形电路可以实现电路的品质因数的调节，提高频带宽度，灵活性更高。

还可以采用分布式参数元件电路匹配的方法，其中混合型匹配电路(中低频)，这类电路设计中尽量的少用电感元件，因为它有较高的电阻损耗且寄生参数也很严重；第二个是单分支匹配电路，并联单分支电路由一段串联的传输线和一段并联的终端开路或短路传输线构成，设计时通常取恒定的传输线的特性阻抗，通过调节传输线的长度，进行阻抗匹配设计；最后是双分支匹配电路，这类匹配电路更易于实现匹配阻抗的调节，只是设计有点复杂。还可以使用噪声匹配电路实现阻抗匹配。