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天线阻抗匹配原理.doc

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.06M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电 路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之， 当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。阻抗 匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、 天线与接收机或发信机与天线之间，等等。例如，扩音机的输出电路与扬声器之 间必须做到阻抗匹配，不匹配时，扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器。如 果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗，扩音机就处于过载状态，其末级功率 放大管很容易损坏。反之，如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多，会引 起输出电压升高，同样不利于扩音机的工作，声音还会产生失真。因此扩音机电 路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好。又例如，无线电发信机的输出阻抗与 馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致。如果阻抗值不一致，发信机输出 的高频能量将不能全部由天线发射出去。这部分没有发射出去的能量会反射回 来，产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层及发信机末级功放管的损坏。为了使 信号和能量有效地传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态，即信号源或功率源的 内阻等于电路的输人阻抗，电路的输出阻抗等于负载的阻抗。在一般的输人、输 出电路中常含有电阻、电容和电感元件，由它们所组成的电路称为电抗电路，其 中只含有电阻的电路称为纯电阻电路。下面对纯电阻电路和电抗电路的阻抗匹配 问题分别进行简要的分析。 1．纯电阻电路 在中学物理电学中曾讲述这样一个问题：把一个电阻为 R 的用电器，接在一 个电动势为 E、内阻为 r 的电池组上（见图 1），在什么条件下电源输出的功率 最大呢？当外电阻等于内电阻时，电源对外电路输出的功率最大，这就是纯电阻 电路的功率匹配。假如换成交流电路，同样也必须满足 R=r 这个条件电路才能匹 配。 2．电抗电路 电抗电路要比纯电阻电路复杂，电路中除了电阻外还有电容和电感。元件， 并工作于低频或高频交流电路。在交流电路中，电阻、电容和电感对交流电的阻 碍作用叫阻抗，用字母 Z 表示。其中，电容和电感对交流电的阻碍作用，分别称 为容抗及和感抗。而容抗和感抗的值除了与电容和电感本身大小有关之外，还与 所工作的交流电的频率有关。值得注意的是，在电抗电路中，电阻 R，感抗而与 容抗双的值不能用简单的算术相加，而常用阻抗三角形法来计算（见图 2）。因 而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些，除了输人和输出电路中的电阻 成分要求相等外，还要求电抗成分大小相等符号相反（共轭匹配）；或者电阻成 分和电抗成分均分别相等（无反射匹配）。这里指的电抗 X 即感抗 XL 和容抗 XC
    之差（仅指串联电路来讲，若并联电路则计算更为复杂）。满足上述条件即称为 阻抗匹配，负载即能得到最大的功率．阻抗匹配的关键是前级的输出阻抗与后级 的输人阻抗相等。而输人阻抗与输出阻抗广泛存在于各级电子电路、各类测量仪 器及各种电子元器件中。那么什么是输人阻抗和输出阻抗呢？输人阻抗是指电路 对着信号源讲的阻抗。如图 3 所示的放大器，它的输人阻抗就是去掉信号源 E 及内电阻 r 时，从 AB 两端看进去的等效阻抗。其值为 Z=UI／I1，即输人电压与 输人电流之比。对于信号源来讲，放大器成为其负载。从数值上看，放大器的等 效负载值即为输人阻抗值。输人阻抗值的大小，对于不同的电路要求不一样。例 如：万用表中电压挡的输人阻抗（称为电压灵敏度）越高，对被测电路的分流就 越小，测量误差也就小。而电流挡的输人阻抗越低，对被测电路的分压就越小， 因而测量误差也越小。对于功率放大器，当信号源的输出阻抗与放大电路的输人 阻抗相等时即称阻抗匹配，这时放大电路就能在输出端获得最大功率。输出阻抗 是指电路对着负载讲的阻抗。如图 4 中，将电路输人端的电源短路，输出端去掉 负载后，从输出端 CD 看进去的等效阻抗称为输出阻抗。如果负载阻抗与输出阻 抗不相等，称阻抗不匹配，负载就不能获得最大的功率输出。输出电压 U2 和输 出电流 I2 之比即称为输出阻抗。输出阻抗的大小视不同的电路有不同的要求。 例如：电压源要求输出阻抗要低，而电流源的输出阻抗要高。对于放大电路来讲， 输出阻抗的值表示其承担负载的能力。通常输出阻抗小，承担负载的能力就强。 如果输出阻抗与负载不能匹配时，可加接变压器或网络电路来达到匹配。例如： 晶体管放大器与扬声器之间通常接有输出变压器，放大器的输出阻抗与变压器的 初级阻抗相匹配，变压器的次级阻抗与扬声器的阻抗相匹配。而变压器通过初次 级绕组的匝数比来变换阻抗比。在实际的电子电路中，常会遇到信号源与放大电 路或放大电路与负载的阻抗不相等的情况，因而不能把它们直接相连。解决的办 法是在它们之间加人一个匹配电路或匹配网络。最后要说明一点，阻抗匹配仅适 用于电子电路。因为电子电路中传输的信号功率本身较弱，需用匹配来提高输出 功率。而在电工电路中一般不考虑匹配，否则会导致输出电流过大，损坏用电器。 电子管 基本电子管一般有三个极,一个阴极(K)用来发射电子,一个阳极(A)用来吸 收阴极所发射的电子,一个栅极(G)用来控制流到阳极的电子流量.阴极发射电子 的基本条件是:阴极本身必须具有相当的热量,阴极又分两种,一种是直热式,它 是由电流直接通过阴极使阴极发热而发射电子;另一种称旁热式阴极,其结构一 般是一个空心金属管,管内装有绕成螺线形的灯丝,加上灯丝电压使灯丝发热从 而使阴极发热而发射电子,现在日常用的多半是这种电子管(如图所示).由阴极 发射出来的电子穿过栅极金属丝间的空隙而达到阳极,由于栅极比阳极离阴极近 得多,因而改变栅极电位对阳极电流的影响比改变阳极电压时大得多,这就是三 极管的放大作用.换句话说就是栅极电压对阳极电流的控制作用.我们用一个参 数称跨导(S)来表示.另外还有一个参数μ来描述电子管的放大系数,它的意义是 说明了栅极电压控制阳流的能力比阳极电压对阳流的作用大多少倍. 为了提高电子管的放大系数,在三极管的阳极和控制栅极之间另外加入一 个栅极称之为帘栅极,而构成四极管,由于帘栅极具有比阴极高很多的正电压,因 此也是一个能力很强的加速电极,它使得电子以更高的速度迅速到达阳极,这样 控制栅极的控制作用变得更为显著.因此比三极管具有更大的放大系数.但是由 于帘栅极对电子的加速作用,高速运动的电子打到阳极,这些高速电子的动能很 大,将从阳极上打出所谓二次电子,这些二次电子有些将被帘栅吸收形成帘栅电
    流,使帘栅电流上升这会导致帘栅电压的下降,从而导致阳极电流的下降,为此四 极管的放大系数受到一定而限制. 为了解决上述矛盾,在四极管帘栅极外的两侧再加入一对与阴极相连的集 射极,由于集射极的电位与阴极相同,所以对电子有排斥作用,使得电子在通过帘 栅极之后在集射极的作用下按一定方向前进并形成扁形射束,这扁形电子射束的 电子密度很大,从而形成了一个低压区,从阳极上打出来的二次电子受到这个低 压区的排斥作用而被推回到阳极,从而使帘栅电流大大减少,电子管的放大能力 得而加强.这种电子管我们称为束射四极管,束射四极管不但放大系数较三极管 为高,而且其阳极面积较大,允许通过较大的电流,因此现在的功放机常用到它作 为功率放大. 电子电路中的反馈电路 反馈电路在各种电子电路中都获得普遍的应用,反馈是将放大器输出信号(电压或电流)的一 部分或全部,回授到放大器输入端与输入信号进行比较(相加或相减),并用比较所得的有效输 入信号去控制输出,这就是放大器的反馈过程.凡是回授到放大器输入端的反馈信号起加强输 入原输入信号的,使输入信号增加的称正反馈.反之则反.按其电路结构又分为:电流反馈电路 和电压反馈电路.正反馈电路多应用在电子振荡电路上,而负反馈电路则多应用在各种高低频 放大电路上.因应用较广,所以我们在这里就负反馈电路加以论述.负反馈对放大器性能有四 种影响: 1.负反馈能提高放大器增益的稳定性. 2.负反馈能使放大器的通频带展宽. 3.负反馈能减少放大器的失真. 4.负反馈能提高放大器的信噪比. 5.负反馈对放大器的输出输入电阻有影响. 图 F1 是一种最基本的放大器电路,这个电路看上去很简单,但其实其中包含了直流电流 负反馈电路和交流电压负反馈电路.图中的 R1 和 R2 为 BG 的直流偏置电阻,R3 是放大器的 负载电阻,R5 是直流电流负反馈电阻,C2 和 R4 组成的支路是交流电压负反馈支路,C3 是交流 旁路电容,它防止交流电流负反馈的产生. 一.直流电流负反馈电路. 晶体管 BG 的基极电压 VB 为 R1 和 R2 的分压值,BG 发射极的电压 VE 为 Ie*R5 那么 BG 的 B、E 间的电压=VB-VE=VB-Ie*R5.当某种原因(如温度变化)引起 BG 的 Ie ↑则 VE↑,BG 基 发极的电压=VB-VE=VB-Ie*R5↓这样使 Ie↓.使直流工作点获得稳定.这个负反馈过程是由于 Ie↑所引起的,所以属于电流负反馈电路.其中发射极电容 C3 是提供交流通路的,因为如果没有 C3,放大器工作时交流信号同样因 R5 的存在而形成负反馈作用,使放大器的放大系数大打折 扣. 二.交流电压负反馈电路
    交流电压负反馈支路由 R4,C4 组成,输出电压经过这条支路反馈回输入端.由于放大器的输出 端的信号与输入信号电压在相位上是互为反相的,所以由于反馈信号的引入削弱了原输入信 号的作用.所以是电压负反馈电路.R4 是控制着负反馈量的大小,C4 起隔直流通交流的作用. 当输入的交流信号幅值过大时,如果没有 R4 和 C4 的负反馈支路,放大器就会进入饱和或截止 的状态,使输出信号出现削顶失真.由于引入了负反馈使输入交流信号幅值受到控制,所以避 免了失真的产生. 阻抗匹配的基本原理 右图中 R 为负载电阻，r 为电源 E 的内阻，E 为电压源。由于 r 的存在，当 R 很大时，电路接近开路状态；而当 R 很少时接近短路状态。显然负载在开路及 短路状态都不能获得最大功率。 根据式: 从上式可看出，当 R=r 时式中的 式中分母中的(R-r)的值最小为 0，此 时负载所获取的功率最大。所以，当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大 功率。这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。 色温 彩色电视机有一个鲜为人知的参数--显象管的色温.低色温的显象管其 图象色彩鲜艳热烈;高色温的显象管图象清新自然各有特色.那么色温是一个什 么东西呢?通常的光源如太阳,日光灯,白炽灯等发出的光统称为白光.但由于发 光物质不一样,光谱成份相差也很大.如何区别各种光源因光谱成份不同而出现 的差别呢?为此物理学中用一个称为黑体的辐射源作为标准,这个黑体是一种理 想的热辐射体,它的辐射程度只与它的温度有关.当用其它光源和黑体辐射作比 较时,察看它的辐射与黑体何种温度时的辐射特性相当(即它们的光谱成份相同), 就以黑体此时的温度(绝对温度)称为某光源的色温.在实际使用中,这常是用光 源中的蓝色光谱成份和红色光谱成份的比例来区别,光源色温的高低一般是蓝色 成份高时色温较高;红色成份高时色温较低. 在日常生活中,照相用的胶卷就有高低色温之分.日光型的 胶卷为高色温 胶卷,灯光型胶卷则为低色温胶卷.如果用灯光型的胶卷在日光或闪光灯下拍照,
    拍下来的景物的颜色会偏蓝.另外在用摄象机摄象时色温也是一个很重要的参数, 处理得不好摄出来的图象颜色将会失真. 串,并联谐振电路的特性 一.串联谐振电路:当外来频率加于一串联谐振电路时,它有以下特性: 1.当外加频率等于其谐振频率时其电路阻抗呈纯电阻性,且有最少值,它这个特 性在实际应用中叫做陷波器. 2.当外加频率高于其谐振频率时,电路阻抗呈感性,相当于一个电感线圈. 3.当外加频率低于其谐振频率时,这时电路呈容性,相当于一个电容. 二.并;联谐振电路:当外来频率加于一并联谐振电路时,它有以下特性: 1.当外加频率等于其谐振频率时其电路阻抗呈纯电阻性,且有最大值,它这个特 性在实际应用中叫做选频电路. 2.当外加频率高于其谐振频率时,电路阻抗呈容性,相当于一个电容. 3.当外加频率低于其谐振频率时,这时电路呈感性,相当于一个电感线圈. 所以当串联或并联谐振电路不是调节在信号频率点时,信号通过它将会产生相 移.(即相位失真) 电子恒流源 爱好电子技术的朋友可能在翻阅一些电子书刊时常看到“恒流源这个名 词，那么什么是恒流源呢？顾名思义恒流源就是一个能输出恒定电流的电源。图 5 中的 r 是电源 E 的内阻，RL 为负载电阻，根据欧姆定律：流过 RL 的电流为 I=E/r+R 如果 r 很大如 500K，那么此时 RL 在 1K---10K 变化时，I 将基本不变（只 有微小的变化）因为 RL 相对于 r 来说太微不足道了，此时我们可以认为 E 是一 个恒流源。为此我们推论出：恒流源是一个电源内阻非常大的电源。 在电子电路中（如晶体管放大器电路）我们常需要一些电压增益较大的 放大器，为此常要将晶体管集电极的负载电阻设计得尽量大，但此电阻太大将容 易使晶体管进入饱和状态，此时我们可利用晶体三极管来代替这个大电阻，这样 一来既可得到大的电阻，同时直流压降并不大，图 6 所示。 图中稳压管 D 和电阻 R2 组成的稳压电路用来偏置 BG1 的工作点，并保证 工作点的稳定（BG2 为放大管）。从晶体管的输出特性可知，集电极---发射极 电压 VEC 大于 1---2V 时，特性曲线几乎是平的，即 VEC 变化时，IC 基本不变， 也就是说，晶体管 BG1 的输出电阻非常大（几百千欧以上），图中由于 BG1 的电 流基本恒
    定，所以称 BG1 是 BG2 的恒流负载。由于具有恒流源负载的放大器因其负载电阻 大，故这种放大电路具有极大的电压增益，实际上在很多集成电路内部均采用这 种电路。 串联型稳压电源 串联型稳压电路是最常用的电子电路之一，它被广泛地应用在各种电子 电路中，它有三种表现形式。 1。如图 1 所示，这是一种最简单的串联型稳压电路(有些书称它是并联 型稳压电路，我个人始终认为应是串联型稳压电路)，电阻 RL 是负载电阻，R 为 稳压调整电阻有叫限流电阻，D 为稳压管。这种电路输出的稳压值等于 D 的标称 稳压值，其工作原理是利用稳压管工作在反向击穿的特性来实现的。图 2 是稳压 管的伏安特性曲线，从此曲线中我们看到反向电流在一定范围内大幅变化时其端 点的电压基本不变。当 RL 变小时，流过 RL 的电流增加，但流过 D 的电流却减少， 当 RL 变大时，流过 RL 的电流减少，但流过 D 的电流却增大，所以由于 D 的存在 使流过 R 的电流基本恒定，在 R 上的压降也基本不变，所以使其输出的电压也基 本保持不变。 当负载要求较大的输出电流时，这种电路就不行了，这是因为在此时 R 的阻值必须减少，由于 R 的减少就要求 D 有较大的功耗，但因目前一般的稳压管 的功耗均较小，所以这种电路只能给负载提供几十毫安的电流，彩电 30V 调谐电 压通常都以这种电路来取得。 2。如图 3 所示，这种电路是针对上面所说电路的缺点而改进的电路，与 第一种电路不同的是将电路中的 R 换成晶体管 BG，目的是扩大稳压电路的输出 电流。我们知道，BG 的集电极电流 IC=β*Ib,β是 BG 的直流放大系数，Ib 是晶 体管的基极电流，比如现在要向负载提供 500MA 的电流，BG 的β=100，那末电 路只要给 BG 的基极提供 5MA 的电流就行了。所以这种稳压电路由于 BG 的加入实 际上相当于将第一种稳压电路扩充了β倍，另外由于 BG 的基极被 D 嵌定在其标 称稳压值上，因此这种稳压电路输出的电压是 V0=VD-0.7v，0.7V 是 BG 的 B，E 极的正偏压降。 在实际应用中，我们常常对不同的电路提供不同的供电电压，即要求稳 压电源的输出电压可调，为此出现了第三种形式的串联形稳压电路。 3。第二种稳压电路虽能提供较大的输出电流，但其输出电压却受到稳压 管 D 的制约，为此人们将第二种电路稍作改动，使之成为输出电压连续可调的串 联型稳压电源。基本电路如图 4 所示，从电路中我们可看出，此电路较第二种电 路多加了一只三极管和几只电阻，R2 与 D 组成 BG2 的基准电压，R3，R4，R5 组 成了输出电压取样支路，A 点的电位与 B 点的电位进行比较（由于 D 的存在，所 以 B 点的电位是恒定的），比较的结果有 BG2 的集电极输出使 C 点电位产生变化
    从而控制 BG1 的导通程度（此时的 BG1 在电路中起着一个可变电阻的作用），使 输出电压稳定，R4 是一个可变阻器，调整它就可改变 A 点的电位（即改变取样 值）由于 A 点的变化，C 点电位也将变化，从而使输出电压也将发生变化。这种 电路其输出电压灵活可变，所以在各种电路中被广泛应用。
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