阻抗匹配是射頻（RF）設(shè)計和測試的一個基本方面；阻抗不匹配導(dǎo)致的信號反射會引起嚴(yán)重問題。

當(dāng)你在處理由理想電源、傳輸線和負(fù)載組成的理論電路時，匹配似乎是一個微不足道的操作。

讓我們假設(shè)負(fù)載阻抗是固定的。我們所需要做的就是加入一個與ZL相等的源阻抗（ZS），然后設(shè)計傳輸線，使其特性阻抗（Z0）也與ZL相等。

但是，讓我們暫時考慮一下在由眾多無源元件和集成電路組成的復(fù)雜射頻電路中實施此方案的難度。如果工程師必須根據(jù)作為所有其他元件基礎(chǔ)的阻抗來修改每個元件并指定每個微帶線的尺寸，那么射頻設(shè)計過程將變得非常笨拙。

此外，這還假設(shè)項目已經(jīng)進入了PCB階段。但如果我們想要使用離散模塊和現(xiàn)成的電纜作為互連來測試和表征系統(tǒng)呢？在這些情況下，補償不匹配的阻抗甚至更加不切實際。

解決方案很簡單：選擇一個可用于眾多射頻系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化阻抗，并確保元件和電纜的設(shè)計與之相符。這個阻抗已經(jīng)被選定；單位是歐姆，數(shù)值是50。

五十歐姆

首先要理解的是，50Ω阻抗本身并沒有什么特別之處。這并不是宇宙的基本常數(shù)，盡管如果你經(jīng)常和射頻工程師打交道，可能會產(chǎn)生這樣的印象。它甚至不是電氣工程的基本常數(shù)——請記住，例如，僅僅改變同軸電纜的物理尺寸就會改變其特性阻抗。

然而，50Ω阻抗非常重要，因為大多數(shù)射頻系統(tǒng)都是圍繞這一阻抗設(shè)計的。很難確定為什么50Ω會成為標(biāo)準(zhǔn)化的射頻阻抗，但合理推測，在早期的同軸電纜背景下，50Ω被認(rèn)為是一個很好的折衷選擇。

當(dāng)然，重要的不是特定值的起源，而是擁有這種標(biāo)準(zhǔn)化阻抗的好處。由于集成電路、固定衰減器、天線等制造商在制造部件時會考慮到這一阻抗，因此實現(xiàn)良好的匹配設(shè)計要簡單得多。此外，PCB布局也變得更加簡單明了，因為許多工程師都有相同的目標(biāo)，即設(shè)計特性阻抗為50Ω的微帶線和帶狀線。

根據(jù)Analog Devices的應(yīng)用說明，您可以按照以下方式創(chuàng)建50Ω微帶線：1盎司銅、20密耳寬的走線、走線與接地平面之間10密耳的間隔（假設(shè)使用FR-4介質(zhì)）。

在我們繼續(xù)之前，需要明確的是，并非所有高頻系統(tǒng)或組件都是為50Ω設(shè)計的?？梢赃x擇其他值，而事實上75Ω阻抗仍然很常見。同軸電纜的特性阻抗與其外徑（D2）與內(nèi)徑（D1）之比的自然對數(shù)成正比。

這意味著內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的間隔越大，對應(yīng)的阻抗就越高。兩個導(dǎo)體之間更大的間隔也會導(dǎo)致更低的電容。因此，75Ω同軸電纜的電容低于50Ω同軸電纜，這使得75Ω電纜更適合高頻數(shù)字信號，高頻數(shù)字信號需要低電容來避免邏輯低和邏輯高之間快速轉(zhuǎn)換時高頻成分的過度衰減。

反射系數(shù)

考慮到阻抗匹配在射頻設(shè)計中的重要性，我們發(fā)現(xiàn)有一個特定參數(shù)用來表示匹配的質(zhì)量，這并不奇怪。這個參數(shù)叫做反射系數(shù)，符號是Γ（希臘大寫字母伽馬）。它是反射波的復(fù)振幅與入射波的復(fù)振幅之比。然而，入射波和反射波之間的關(guān)系由源（ZS）和負(fù)載（ZL）阻抗決定，因此可以根據(jù)這些阻抗來定義反射系數(shù)：

如果在這個情況下，“源”是一條傳輸線，我們可以將ZS改為Z0。

在一個典型系統(tǒng)中，反射系數(shù)的幅值介于0和1之間。我們來看三種數(shù)學(xué)上直觀的情況，以幫助我們理解反射系數(shù)如何與實際電路行為相對應(yīng)：

1. 如果匹配是完美的（ZL = Z0），則分子為零，因此反射系數(shù)也為零。這是有道理的，因為完美匹配導(dǎo)致沒有反射。

2. 如果負(fù)載阻抗為無窮大（即開路），則反射系數(shù)變?yōu)闊o窮大除以無窮大，結(jié)果是1。反射系數(shù)為1對應(yīng)于完全反射，即所有波能量都被反射。這是有道理的，因為連接到開路的傳輸線對應(yīng)于完全的不連續(xù)（見上一頁）——負(fù)載無法吸收任何能量，因此所有能量都必須被反射。

3. 如果負(fù)載阻抗為零（即短路），則反射系數(shù)的幅值變?yōu)閆0除以Z0。因此，我們再次得到|Γ| = 1，這是有道理的，因為短路也對應(yīng)于完全的不連續(xù)，無法吸收任何入射波能量。

駐波比（VSWR）

描述阻抗匹配的另一個參數(shù)是駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）。它的定義如下：

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駐波比（VSWR）從產(chǎn)生的駐波的角度來接近阻抗匹配。它表示最高駐波振幅與最低駐波振幅之比。這個視頻可以幫助您可視化阻抗失配與駐波振幅特性之間的關(guān)系，而下面的圖表則展示了三個不同反射系數(shù)的駐波振幅特性。

阻抗失配越嚴(yán)重，駐波上最高振幅和最低振幅位置之間的差異就越大。圖片由Interferometrist提供[CC BY-SA 4.0]

駐波比（VSWR）通常以比率的形式表示。完美的匹配是1:1，這意味著信號的峰值振幅始終保持不變（即沒有駐波）。比率為2:1則表示反射導(dǎo)致駐波的最大振幅是其最小振幅的兩倍。

總結(jié)

使用標(biāo)準(zhǔn)化的阻抗使射頻設(shè)計更加實用和高效。

大多數(shù)射頻系統(tǒng)都是基于50Ω阻抗構(gòu)建的。有些系統(tǒng)使用75Ω，后者更適合高速數(shù)字信號。

阻抗匹配的質(zhì)量可以通過反射系數(shù)（Γ）在數(shù)學(xué)上進行表達(dá)。完美匹配對應(yīng)于Γ = 0，而完全的不連續(xù)（所有能量都被反射）則對應(yīng)于Γ = 1。

另一種量化阻抗匹配質(zhì)量的方法是駐波比（VSWR）。