一起聊聊，阻抗匹配那些事儿
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发布时间：
2025-10-28
一起聊聊，阻抗匹配那些事儿
超声波通过介质时会在介质内部产生随时间和空间作周期性变化的弹性应变，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。基于该效应研制的器件称为声光器件。典型的声光器件主要由三部分组成：超声换能器、声光介质和匹配网络，如图1.所示：
图1. 典型声光器件结构
匹配网络是由电容、电感、射频线缆、接头等组成的，匹配网络不仅出现在声光器件中，还出现在高频有线网络、雷达光纤通信等系统中。阻抗匹配不光是声光器件非常重要的一个组成部分，还是高频通信器件不可缺少的一部分。阻抗匹配对于无损传输的实现是至关重要的，那么什么是阻抗？什么又是阻抗匹配？本篇小课堂将为大家一一讲来。
1. 电阻、阻抗
1.1 电阻
电路中对电流通过有阻碍作用并且造成能量消耗的部分叫做电阻。比如电路中的电阻，电热毯的发热丝，是将电能转为热能耗散出去。
图2. 各种类型的电阻器
1.2 阻抗
阻抗是一个基础概念，它可以简化为电阻，也可以推出特性阻抗。阻抗的定义就是瞬时的电压除以电流，跟电阻的定义很像，区别就是阻抗中除了阻性外还有容性、感性。
有趣的知识：
很多射频系统或者部件中，采用50Ω的特性阻抗，为什么不是60或者是70Ω呢？这个数值是怎么确定下来的，背后有什么意义？
1929年，贝尔实验室做了很多实验，最终发现符合这种大功率传输，损耗小的同轴电缆其特性阻抗分别是30Ω和77Ω。其中，30Ω的同轴电缆可以传输的功率是最大的，77Ω的同轴电缆传输信号的损耗是最小的。30Ω和77Ω的算术平均值为53.5Ω，30Ω和77Ω的几何平均值是48Ω，我们经常所说的50Ω系统阻抗其实是53.5Ω和48Ω的一个工程上的折中考虑，考虑最大功率传输和最小损耗尽可能同时满足。而且通过实践发现50Ω的系统阻抗，对于半波长偶极子天线和四分之一波长单极子天线的端口阻抗也是匹配的，引起的反射损耗是最小的。
2. 阻抗匹配
2.1 阻抗匹配
阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，以实现所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的[1]。
图3. 理想阻抗匹配示意图
然而实际情况是：源端阻抗不会是50Ω，负载端阻抗也不会是50Ω，这个时候就需要若干个阻抗匹配电路。
2.2 为什么需要阻抗匹配？
图4. 阻抗不匹配 vs. 匹配
在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，而在高频电路中，我们必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，信号的波长很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配时，在负载端就会产生反射。为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配。通常阻抗匹配存在以下这三种情况：
第一种情况：如图5所示，匹配良好时，信号在匹配系统中传输是顺畅、无阻滞的，能量的传输是无损的。
图5. 阻抗匹配良好时
第二种情况，如图6所示，由于不匹配节点的存在，传输信号的能量在此将会出现反射损耗现象，那么它的后级得到的信号能量将小于前级的输出能量。
图6，阻抗匹配不良时
第三种情况，如图7所示，完全失配时传输信号的能量从匹配前级无法进入匹配后级，能量在此将会出现完全反射回匹配前级，设备完全无法工作。
图7，完全失配时
2.3 阻抗匹配的方法与类型
以声光器件为例，通常采用L形、π形、T形3种阻抗类型实现匹配电路[2-4]。
L型匹配，如图8所示。这类电路具有线路简洁和成本较低的优点，缺点是窄带电路。L型匹配要考虑匹配和功率的损耗，尽量使用电感和电容性元件，共有8种基本的电路可供选择[5]。
图8. L型匹配8种结构示意图
图9. 声光器件初始阻抗
以我司声光器件产品为例，在未加入匹配电路时，其初始阻抗远离50 Ω标准阻抗（见图9），若此时直接使用射频信号进行驱动，将导致反射信号过强，射频源损坏，采用L型电路匹配后，阻抗可完美匹配至50 Ω附近（见图10.）。
图10. 声光器件L型匹配后阻抗
图11. 声光器件L型匹配后带宽
T形和π形电路，如图12，图13所示：这类电路可以实现电路的品质因数的调节，灵活性更高。多元件的匹配电路设计能降低电路的品质因数，却可以提高频带宽度[6-7]。
图12. T型匹配电路
图13. π型匹配电路
图13. 为π形电路匹配后的驻波图形，可发现匹配后器件带宽得到明显增大。
图14. 声光器件π型匹配后带宽
3. 总结
无论是精心设计的集总参数电路还是微波电路，需认清特征：如果阻抗值要提高，用串联方式；如果阻抗值要降低，则使用并联方式。L形匹配电路是最简洁的设计，也是频率低端的首选[8]。如果要求品质因数，考虑使用T形或者π形匹配电路。电路的匹配设计不是单一的，要综合考虑偏置电路、反馈电路和频率调节电路的相互连接，要反复进行设计和修改，最终达到满意效果[9]。
阻抗匹配技术在射频电路领域、声学系统、光学系统以及机械系统中都能找到其身影。了解了阻抗匹配，我们才能更好的选择适用的匹配方案，在高频传输中获取更好的效果。
综上所述，阻抗匹配是声光器件制造和使用中重要的一环。严格调试匹配后的成品如在后续的装配使用中发生内部元件的碰触或者位移都可能引起阻抗的失配，导致器件性能下降甚至损坏。因此在装配过程中需小心操作，如遇上述失配情况还请随时和我司联系。
参考文献
- Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. 射频电路设计理论与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2002， 270-305.
[2] Reich M T, Bauer-Reich C. UHF RFID impedance matching: when is a T-match[J]. International Coference in RFID, IEEE, 2014, 24-30.
[3]Chung B K. Q-based design method for T network impendance matching[J]. Microelectronics Journal, 2006, 37(9):1007-1011.
[4] Chung BH K, lin Y S, Lu S S. Analysis and design of a 1.6-28GHz compact wideband LNA in 90nm CMOS using a π-matching input network[J]. IEEE Transactions on MIcrowave Theory and Techniques, 2010, 58(8):2092-2104.
[5] Mattaei, George L. Microwave filters, impendance-matching networks and coupling structures[J]. Proceedings of the IEEE, 2005,533(7): 766-766.
[6] 廖承恩。 微波技术基础[M]. 北京：人民邮电出版社， 1998.11.
[7] 赵春晖，张朝柱. 微波技术[M]. 北京：高等教育出版社， 2007:40-47.
[8] 汶迎春。阻抗匹配电路在滤波器测试中的应用[J].电子科技，2012，25(7),90-91.
[9] 田亚鹏，张昌民，仲维伟.阻抗匹配电路原理与应用[J].电子科技，2012，25(1),6-7.
相关信息
阻抗匹配是声光器件制造和使用中重要的一环。阻抗匹配技术在射频电路领域、声学系统、光学系统以及机械系统中都能找到其身影。了解了阻抗匹配，我们才能更好的选择适用的匹配方案，在高频传输中获取更好的效果。
2025/10/28
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