什么是阻抗匹配？如何在设计中使用阻抗匹配变压器

什么是阻抗匹配？

简而言之，阻抗匹配可确保一级（称为源极）的输出阻抗等于下一级（称为负载）的输入阻抗。这种匹配允许最大功率传输和最小损耗。您可以通过将其视为与电源串联的灯泡来轻松理解此概念。第一个灯泡是第一级（例如无线电发射器）的输出阻抗，第二个灯泡是负载，换句话说，是第二个灯泡（例如天线）的输入阻抗。我们希望确保将最多的功率传递给负载，在我们的例子中，这意味着最多的功率被传输到空中，以便可以从更远的地方听到广播电台。这个最大值当源的输出阻抗等于负载的输入阻抗时，就会发生功率传输，因为如果输出阻抗大于负载，则源中会损失更多的功率（第一个灯泡更亮）。

驻波比 - 阻抗匹配的测量

用于定义两个阶段匹配程度的测量称为SWR（驻波比）。它是较大阻抗与较小阻抗的比值，50 Ω 发射器接入 200 Ω 天线会产生 4 SWR，75 Ω 天线直接馈入 NE612 混频器（输入阻抗为 1500 Ω）将产生 20 SWR。完美匹配，假设 50 Ω 天线和 50 Ω 接收器的 SWR 为 1。

在无线电发射机中，低于 1.5 的 SWR 被认为是不错的，当 SWR 高于 3 时运行可能会由于功率输出级设备（真空管或晶体管）过热而导致损坏。在接收应用中，高驻波比不会造成损坏，但会降低接收器的灵敏度，因为接收到的信号会因失配和随之而来的功率损耗而衰减。

由于大多数接收器使用某种形式的输入带通滤波器，因此可以设计输入滤波器以使天线与接收器的输入级相匹配。所有无线电发射机都有输出滤波器，用于将功率输出级与特定阻抗（通常为 50 Ω）匹配。某些发射器具有内置天线调谐器，如果天线的阻抗与指定的发射器的输出阻抗不同，则可以使用这些天线调谐器将发射器与天线匹配。如果没有天线调谐器，则必须使用外部匹配电路。由于失配造成的功率损耗很难计算，因此使用特殊的计算器或SWR 损耗表。典型的 SWR 损耗表如下所示：

使用上面的 SWR 表，我们可以计算功率损耗和电压损耗。当负载阻抗低于源阻抗时，电压因失配而丢失，而当负载阻抗高于源阻抗时，电流因失配而丢失。      

我们的 50 Ω 发射器带有 200 Ω 天线和 4 SWR 将损失大约 36% 的功率，这意味着与天线具有 50 Ω 阻抗的情况相比，传送到天线的功率将减少 36%。损失的功率将大部分消散在源中，这意味着如果我们的发射器发出 100W 的功率，则另外 36W 将作为热量消散在其中。如果我们的 50 Ω 发射器的效率为 60%，那么当将 100 W 发射到 50 Ω 天线中时，它将耗散 66 W。当连接到 200 Ω 天线时，它将额外耗散 36 W，因此发射器中作为热量损失的总功率为 102 W。发射器中耗散功率的增加不仅意味着天线没有发出全部功率但也有损坏我们的发射器的风险，因为它的功耗是 102 W 而不是 66 W，它的设计目的是与之配合使用。

在 75Ω 天线的情况下，为 NE612 IC 的 1500Ω 输入供电，我们不关心功率作为热量损失，而是关心通过使用阻抗匹配可以实现的增加的信号电平。假设在天线中感应出 13nW 的射频。对于 75 Ω 阻抗，13nW 提供 1 mV - 我们希望将其与 1500 Ω 负载相匹配。要计算匹配电路后的输出电压，我们需要知道阻抗比，在我们的例子中，1500 Ω/75 Ω=20。电压比（如变压器中的匝数比）等于阻抗比的平方根，所以 √20≈8.7。这意味着输出电压将大 8.7 倍，因此等于 8.7 mV。匹配电路的作用类似于变压器。

由于进入匹配电路的功率和离开的功率相同（减去损耗），输出电流将比输入低 8.7 倍，但输出电压会更大。如果我们将高阻抗匹配到低阻抗，我们将获得更低的电压但更高的电流。

阻抗匹配变压器

称为阻抗匹配变压器的特殊变压器可用于匹配阻抗。变压器作为阻抗匹配设备的主要优点是它们具有宽带，这意味着它们可以在很宽的频率范围内工作。使用钢板磁芯的音频变压器，例如真空管放大器电路中用于匹配管子的高阻抗和扬声器的低阻抗的音频变压器，其带宽为 20Hz 至 20kHz，使用铁氧体甚至空芯制成的射频变压器可以带宽为1MHz-30MHz。

变压器可以用作阻抗匹配设备，因为它们的匝数比会改变源“看到”的阻抗。您还可以检查变压器的这个基础知识如果您对变压器完全不熟悉，请阅读文章。如果我们有一个匝数比为 1:4 的变压器，这意味着如果将 1V 的交流电施加到初级，我们将在输出端有 4V 的交流电。如果我们在输出端加一个 4Ω 电阻，1A 的电流将流过次级，初级的电流等于次级电流乘以匝数比（除以变压器是降压型的，如市电）变压器），所以 1A*4=4A。如果我们使用 Ω 定律来确定变压器对电路的阻抗，我们有 1V/4A=0.25Ω，而我们在匹配变压器之后连接了一个 4Ω 负载。阻抗比为 0.25Ω 至 4Ω 或 1:16。它也可以用这个阻抗比公式计算：

(n_A /n_B )²=r_i

其中，n_A是匝数较多的绕组上的初级匝数，n_B是匝数较少的绕组上的匝数，r_i是阻抗比。这就是阻抗匹配发生的方式。

如果我们再次使用欧姆定律，但现在计算流入初级的功率，我们将有 1V*4A=4W，在次级，我们将有 4V*1A=4W。这意味着我们的计算是正确的，变压器和其他阻抗匹配电路所提供的功率不会超过馈入的功率。这里没有自由能。

如何选择阻抗匹配变压器

需要带通滤波时可以使用变压器匹配电路，在使用频率上应与次级电感谐振。变压器作为阻抗匹配器件的主要参数有：

• 阻抗比或更常用的匝数比 (n)
• 初级电感
• 次级电感
• 初级阻抗
• 次级阻抗
• 自谐振频率
• 最低工作频率
• 最大工作频率
• 绕组配置
• 气隙的存在和最大。直流电流
• 最大限度。力量

初级匝数应该足够，所以变压器初级绕组的电抗（它是一个线圈）在最低工作频率下是源输出阻抗的四倍。

次级匝数等于初级匝数除以阻抗比的平方根。

我们还需要知道使用什么核心类型和尺寸，不同的核心在不同的频率下工作得很好，在这些频率之外它们会表现出损耗。

磁芯尺寸取决于流经磁芯的功率，因为每个磁芯都会出现损耗，而更大的磁芯可以更好地消散这些损耗，并且不会轻易出现磁饱和和其他不需要的东西。

如果使用的铁芯由钢叠片制成，例如在电源变压器中，当直流电流将流过变压器上的任何绕组时，就需要气隙。

变压器匹配电路 - 示例

例如，我们需要一个变压器来将 50 Ω 源匹配到接收器中 3MHz 至 30MHz 频率范围内的 1500 Ω 负载。我们首先需要知道我们需要什么核心，因为它是一个接收器，很少有功率流过变压器，所以核心尺寸可以很小。FT50-75 是该应用程序中一个好的核心。根据制造商的说法，它作为宽带变压器的频率范围是 1MHz 到 50MHz，对于这种应用来说已经足够了。

现在我们需要计算初级匝数，我们需要初级电抗比源输出阻抗高 4 倍，即 200 Ω。在 3MHz 的最低工作频率下，10.6uH 的电感器具有 200Ω 的电抗。使用在线计算器，我们计算出我们需要在核心上绕 2 圈线来获得 16uH，略高于 10.6uH，但在这种情况下，最好是大而不是小。50 Ω 到 1500 Ω 的阻抗比为 30。由于匝数比是阻抗比的平方根，我们得到大约 5.5，因此对于每个初级匝，我们需要 5.5 个次级匝，以使次级的 1500Ω 看起来像 50Ω 到来源。由于初级有 2 匝，因此次级需要 2*5.5 匝，即 11 匝。线径应遵循3A/1mm ²规则（每平方毫米导线横截面积最大流过 3A）。

变压器匹配通常用于带通滤波器，以将谐振电路与天线和混频器的低阻抗相匹配。负载电路的阻抗越高，带宽越低，Q 值越高。如果我们将谐振电路直接连接到低阻抗，带宽通常会太大而无法使用。谐振电路由 L1 的次级和第一个 220 pF 电容器以及 L2 的初级和第二个 220 pF 电容器组成。

上图显示了真空管音频功率放大器中使用的变压器匹配，用于将 PL841 管的 3000 Ω 输出阻抗匹配到 4 Ω 扬声器。1000 pF C67 可防止较高音频频率下的振铃。

阻抗平衡的自耦变压器匹配

自耦变压器匹配电路是变压器匹配电路的一种变体，其中两个绕组在彼此的顶部连接在一起。它通常用于IF 滤波电感器，以及与基极匹配的变压器，用于将晶体管的低阻抗匹配到高阻抗，从而减少调谐电路的负载，并允许更小的带宽，从而提高选择性。设计它们的过程实际上是相同的，初级的匝数等于从线圈的抽头到“冷”或接地端的匝数，次级的匝数等于抽头和“热”端或连接到负载的端之间的匝数。

上图显示了一个自耦变压器匹配电路。如果使用 C 是可选的，它应该在使用频率下与 L 的电感谐振。这样电路还提供滤波。

此图说明了 IF 变压器中使用的自耦变压器和变压器匹配。自耦变压器的高阻抗接C17，该电容与整个绕组形成谐振电路。由于该电容接自耦变压器的高阻抗端，负载调谐电路的电阻较高，因此电路Q较大，中频带宽降低，提高了选择性和灵敏度。变压器匹配将放大的信号耦合到二极管。

晶体管功率放大器中使用的自耦变压器匹配，它将晶体管的 12 Ω 输出阻抗匹配到 75 Ω 天线。C55并联于自耦变压器的高阻端，构成滤除谐波的谐振电路。

如果想了解更多电子元器件及电路知识内容，可以访问www.mrchip.cn/category/。本文由IC先生网编辑整理，请勿转载。图片来源网络，如有侵权请联系删。