一文認(rèn)識(shí)特性阻抗、反射、阻抗匹配

認(rèn)識(shí)特性阻抗

電阻是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的物理元器件，通過歐姆定律我們可以知道，電壓、電流和電阻三者之間的關(guān)系，U=I*R。

我們通過一個(gè)具體的電路來分析這三者之間的具體關(guān)系，請(qǐng)看下面的一張最簡(jiǎn)單的電路圖。這個(gè)電路圖只有一個(gè)電源一個(gè)電阻和一些導(dǎo)線組成。

當(dāng)然這個(gè)電阻的阻值也可以通過用萬用表來直接測(cè)量。

特性阻抗就不一樣了，用萬用表測(cè)量一根50歐姆特性阻抗時(shí)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)是短路的。這就需要我們從概念上區(qū)分電阻(哪怕是剛好是50歐姆的電阻)和特性阻抗是兩碼事。就像溫度上面的度(攝氏度)和角度上的度一樣，不是一個(gè)東西。

電阻這個(gè)物理量大家都懂，這里就不解釋了。我們來分析一下這個(gè)特性阻抗到底是何方神圣，是在什么條件下才會(huì)用這個(gè)東西的。

其實(shí)特性阻抗是和射頻緊密相隔的一個(gè)物理量，在認(rèn)識(shí)特性阻抗之前先認(rèn)識(shí)一下射頻。我們知道電臺(tái)，手機(jī)通訊信號(hào)，wifi等都是向外部發(fā)射信號(hào)能量的裝置，也就是說能量是從天線射出去，能量不再回來到天線了，可以想像就像機(jī)槍向外面掃射一樣，子彈打出去就不回來了。

好了，明白射頻這個(gè)東西之后，我們?cè)賮淼骄唧w的傳輸射頻能量的導(dǎo)線上面來。導(dǎo)線上面?zhèn)鬏數(shù)纳漕l信號(hào)也是一樣的，希望它傳過去就不要反傳回來了，要是有能量反傳回來就說明傳輸?shù)男Ч盍恕?/p>

為了更具體的說明特性阻抗這個(gè)東西 我這里打一個(gè)比方：

同一個(gè)電路板上面有2根導(dǎo)線(假設(shè)都是很長(zhǎng)的兩根線，你能想像它有多長(zhǎng)就有多長(zhǎng))，因?yàn)橥粋€(gè)板，那么2根導(dǎo)線的銅皮厚度都是一樣的。兩根導(dǎo)線，長(zhǎng)(無限長(zhǎng))和厚度是一樣的，只能唯一不同的是寬度了，假設(shè)1號(hào)導(dǎo)線寬度是1(單位)，2號(hào)導(dǎo)線是2(單位)。也就是說2號(hào)線寬度是1號(hào)線的兩倍。 下面的圖可以具體看到兩根導(dǎo)線的示意圖。

如上圖所示，假如同時(shí)都接的是一樣的射頻發(fā)射源，同樣的一小段時(shí)間T，那么我們看看這兩根導(dǎo)線會(huì)有什么區(qū)別。同一個(gè)發(fā)射源，那么兩根線的輸出射頻電壓是一樣的，射頻傳輸?shù)木嚯x是一樣的(假設(shè)都是光速，實(shí)際比光速少)。 唯一不同的是線寬，而2號(hào)線的線比1號(hào)線寬一倍，那么2號(hào)線需要1號(hào)線2倍的電量來填滿多出的線寬面積(其實(shí)是導(dǎo)線銅皮與底面產(chǎn)生的電容效應(yīng))。

也就是說：Q2=兩倍的Q1。 因?yàn)?i = Q/T (射頻電流=電量/時(shí)間)，那么可以知道2號(hào)線的射頻電流是1號(hào)線的兩倍(因?yàn)闀r(shí)間是一樣的，2號(hào)線電量是1號(hào)線的兩倍)。 好了，我們知道了 i2=兩倍的i1。

到了這里，我們找出個(gè)神秘的特性阻抗就不遠(yuǎn)了，為什么呢，因?yàn)槲覀冎离娮?電壓/電流。其實(shí)特性阻抗也有這種關(guān)系：特性阻抗=射頻電壓/射頻電流。

從上面我們知道，射頻電壓一樣的，電流關(guān)系為 i2=兩倍的i1 。

則2號(hào)線的特性阻抗只有1號(hào)線的一半! 這就是我們所說的線越是寬，特性阻抗越小。

上面是我舉個(gè)例子說明特性阻抗與電阻的區(qū)別，以及為什么同樣一個(gè)板子，特性阻抗與線寬有關(guān)系，與長(zhǎng)度沒有關(guān)系。

實(shí)際上影響特性阻抗的因素很多，包括材料，導(dǎo)線與底板地間距等等很多因素相關(guān)。 導(dǎo)線的特性阻抗用通俗的話來描述(只是比喻)，就是導(dǎo)線對(duì)其上面?zhèn)鬏數(shù)纳漕l能量阻礙力的大小。

認(rèn)識(shí)傳輸線的反射

上面我們是假設(shè)導(dǎo)線是無限長(zhǎng)的，而實(shí)際上的導(dǎo)線長(zhǎng)度是有限。當(dāng)射頻信號(hào)到達(dá)導(dǎo)線末端，能量沒有辦法釋放，就會(huì)沿著導(dǎo)線反傳回來。就跟我們對(duì)著墻喊，聲音碰到墻反傳回來產(chǎn)生回音。 也就是說我們想像中的射頻信號(hào)發(fā)射出去就沒有反射回來的情況在現(xiàn)實(shí)是不存在的。

如上圖所示，假如我們?cè)诰€的末端接上一個(gè)電阻來消耗(或者接收)線上傳輸過來的射頻能量。

有人會(huì)問，為什么導(dǎo)線的特性阻抗的電阻不消耗能量，非要接個(gè)電阻才能消耗呢?其實(shí)啊，導(dǎo)線只是傳輸能量的，導(dǎo)線本身并不消耗能量或者近似于不損耗能量(有點(diǎn)想電容或者電感的屬性)。電阻則是一個(gè)損耗能量的元件。 我們發(fā)現(xiàn)有三種特殊情況： 當(dāng)R=R0 時(shí)，傳輸過來的能量剛剛好被末端的電阻R吸收完，沒有能量反射回去?？煽闯蛇@導(dǎo)線是無線長(zhǎng)。

當(dāng)R=∞時(shí)(開路)，能量全部反射回去，而且在線的末端點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生2倍于發(fā)射源的電壓。 當(dāng)R=0時(shí)，末端點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)-1倍于源電壓反射回去。

認(rèn)識(shí)阻抗匹配

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。 阻抗匹配是針對(duì)射頻等而言的，對(duì)于功率電路則不適用的，否則會(huì)燒掉東西。 我們常常聽說特性阻抗50歐姆，75歐姆等等，這個(gè)50歐姆是怎么來的，為什么是50歐姆 而不是51歐姆呢，或者45歐姆呢? 這個(gè)是約定來的，50歐姆應(yīng)該說對(duì)于一般射頻電路傳輸效果更好。

也就是說，我們的導(dǎo)線，電纜要做50歐姆，是因?yàn)殡娐坟?fù)載已經(jīng)相當(dāng)于50歐姆的電阻。你做別的阻抗值導(dǎo)線，就和負(fù)載不匹配。偏離越遠(yuǎn)，傳輸?shù)男Ч蜁?huì)越差!

原文標(biāo)題：終于有人把「特性阻抗、反射、阻抗匹配」講明白了

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審核編輯：湯梓紅