阻抗匹配（impedance matching） 信號(hào)源內(nèi)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(fù)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(jiǎn)稱為阻抗匹配。否則，便稱為阻抗失配。有時(shí)也直接叫做匹配或失配。但是在另一方方面，也會(huì)出現(xiàn)阻抗不匹配的情況，下面我們就進(jìn)行分析。

　　一、阻抗匹配條件

　　①負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到無(wú)失真的電壓傳輸。

　?、谪?fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時(shí)在負(fù)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(nèi)阻抗和負(fù)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(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)。對(duì)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(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，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(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對(duì)值相等而符號(hào)相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。

　　阻抗匹配（Impedance matching）是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來(lái)達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn)，從而提升能源效益。史密夫圖表上。電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來(lái)，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉(zhuǎn)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?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/p>

　　二、阻抗匹配與阻抗不匹配解析

　　在高速設(shè)計(jì)阻抗控制和端接是基本的設(shè)計(jì)問(wèn)題。而在射頻設(shè)計(jì)中這早已是事實(shí)上的核心了。但一些數(shù)字電路工作頻率甚至高于射頻時(shí)卻在其設(shè)計(jì)中忽略考慮了阻抗和端接。

　　阻抗不匹配在數(shù)字電路中產(chǎn)生的一些不利影響如下所示。

　　1. 數(shù)字信號(hào)在接收器件的輸入端和發(fā)送器件的輸出端來(lái)回反射。反射的信號(hào)在兩邊來(lái)回反彈直至最終完全被電阻所吸收。

　　2. 反射信號(hào)引入振鈴信號(hào)沿著走線傳播。振鈴影響了信號(hào)的電壓和時(shí)序，并嚴(yán)重影響了信號(hào)質(zhì)量。

　　3. 一個(gè)不匹配的信號(hào)通路會(huì)導(dǎo)致信號(hào)輻射到環(huán)境中去。

　　由于阻抗不匹配產(chǎn)生的問(wèn)題可以通過(guò)使用終端來(lái)減少。終端通常是一個(gè)或兩個(gè)放置在信號(hào)線接收器附近的分立元件。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，終端是一個(gè)低值的串連電阻。

　　終端抑制了信號(hào)的上升時(shí)間，并吸收了部分反射能源。特別是要注意到，終端并不能完全消除由于阻抗不匹配而產(chǎn)生的破壞性的影響。但是通過(guò)仔細(xì)選擇的配置和元件的值，一個(gè)終端可以非常有效地控制了信號(hào)完整性的效果。

　　并非所有的信號(hào)線都需要阻抗控制。一些標(biāo)準(zhǔn)，如Compact PCI需要特定的走線阻抗和（或）終端電阻。通過(guò)制訂阻抗的要求，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)減少反射，振鈴和信號(hào)線的輻射是相當(dāng)有效的。

　　其他標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)阻抗控制有具體的要求，留給設(shè)計(jì)者決定是否需要加阻抗控制。而決定的結(jié)果隨設(shè)計(jì)的不同而不同，但它往往取決于信號(hào)線的長(zhǎng)度（信號(hào)線延遲Td）和信號(hào)的上升時(shí)間（ Tr）。一個(gè)經(jīng)常使用的規(guī)則是，當(dāng)Td大于Tr的1/6的時(shí)候就對(duì)阻抗控制有要求了。

　　三、阻抗不匹配的后果

　　簡(jiǎn)單的說(shuō)，阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生反射。而反射會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖，振鈴，抖動(dòng)，會(huì)影響上升沿，下降沿等。在高頻電路中，當(dāng)發(fā)送端與傳輸線之間、傳輸線與接收端之間阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射。

　　一般來(lái)說(shuō)，接收端的阻抗高于傳輸線的阻抗，根據(jù)反射原理，該處的反射信號(hào)與傳來(lái)的信號(hào)相位相同，因而會(huì)使得接收端的信號(hào)電平增強(qiáng)；而發(fā)送端的阻抗低于傳輸線的阻抗，根據(jù)反射原理，該處的反射信號(hào)與傳來(lái)的信號(hào)相位相反，因而使得反射信號(hào)重新傳往接收端。當(dāng)傳輸線的阻抗較小時(shí)，其衰減作用抵不過(guò)反射的影響，到達(dá)接收端的信號(hào)在上升階段的末期以及下降階段的末期都會(huì)產(chǎn)生振鈴式的過(guò)沖現(xiàn)象。

　　其中，在上升階段的末期產(chǎn)生的超過(guò)1的過(guò)沖，叫做上沖；在下降階段的末期產(chǎn)生的低于0的過(guò)沖，叫做下沖。如果發(fā)生了過(guò)沖振鈴，要使信號(hào)為1時(shí)的電平穩(wěn)定在其對(duì)應(yīng)的臨界值以上，或者要使信號(hào)為0時(shí)的電平穩(wěn)定在其對(duì)應(yīng)的臨界值以下，無(wú)疑需要一段時(shí)間的等待。否則，無(wú)論是微處理器利用未穩(wěn)定下來(lái)的信號(hào)讀人，還是存儲(chǔ)器利用未穩(wěn)定下來(lái)的信號(hào)寫入，都容易產(chǎn)生誤動(dòng)。

　　四、如何理解阻抗不匹配時(shí)的反射問(wèn)題

　　抗匹配信號(hào)源內(nèi)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(fù)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(jiǎn)稱為阻抗匹配。否則，便稱為阻抗失配。有時(shí)也直接叫做匹配或失配。

　　阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)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(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動(dòng)勢(shì)為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過(guò)電阻R的電流為：I=U/（R+r），可以看出，負(fù)載電阻R越小，則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為：Uo=IR=U/［1+（r/R）］，可以看出，負(fù)載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來(lái)計(jì)算一下電阻R消耗的功率為：

　　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}

　　對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來(lái)選擇的。注意式中［（R-r）2/R］，當(dāng)R=r時(shí)，［（R-r）2/R］可取得最小值0，這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/（4×r）。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共扼匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問(wèn)題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長(zhǎng)相對(duì)于傳輸線來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來(lái)，跟原信號(hào)還是一樣的）。從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)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(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來(lái)的性能，這時(shí)我們也會(huì)叫做阻抗失配。

　　在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問(wèn)題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等（即不匹配）時(shí)，在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說(shuō)了，有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長(zhǎng)度，以及信號(hào)的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。

　　例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Ω的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來(lái)做八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω，所以300Ω的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個(gè)塑料封裝的，一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東，大概有兩個(gè)大拇指那么大）。它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器，將300Ω的阻抗，變換成75Ω的，這樣就可以匹配起來(lái)了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測(cè)量。為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢？如果不匹配，則會(huì)形成反射，能量傳遞不過(guò)去，降低效率；會(huì)在傳輸線上形成駐波（簡(jiǎn)單的理解，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。

　　當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說(shuō)的電視機(jī)中的那個(gè)例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來(lái)跟傳輸線匹配，例如高速信號(hào)線，有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來(lái)跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。（始端串聯(lián)匹配，終端并聯(lián)匹配）

　　為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問(wèn)題，我來(lái)舉兩個(gè)例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(huì)感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(huì)受不了了——這就是負(fù)載過(guò)重的情況，會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會(huì)撲空，手也可能會(huì)受不了——這就是負(fù)載過(guò)輕的情況。