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阻抗不匹配为何会反冲过冲？资料下载
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2021-04-01
杜喜喜
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一位头条朋友说：非常喜欢您的文章，每个都看点赞。上个文章也说了阻抗匹配，这个文章也说了，可是我还是不懂，阻抗不匹配为何会反冲过冲这些。平常只知道电池给负载，无论负载多大，电源都供电，这里面有没有什么阻抗匹配。需要理解一下什么是过冲。
图1、传输线
问：为什么会出现过冲。
答：无论什么电路，连接线长和负载比起来短很多时，信号不会出现反射，信号不会出现过冲。同样无论什么电路，连接线长和负载比起来长很多时，信号会出现反射，信号叠加便要考虑信号不会出现过冲。这也是，高频高速电路几厘米传输时都要考虑阻抗匹配的问题。
问：问什么阻抗不匹配，信号会反射，造成信号叠加出现过冲的呢？
答：......
1、我们来说一下，为什么要阻抗匹配
图2、阻抗器件
阻抗从字面上看就与电阻不一样，通俗一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。
在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻。但在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。
我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源，总是有内阻的，我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。
对于纯电阻电路，此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共轭匹配。例如天线再为一个负载时，他的阻抗为50欧姆，那么我们希望我们的传输线加源端内阻正好可以和它达成50欧姆的共轭匹配状态，以求天线的功率最大。
2、为什么要考虑传输线的线长和工作频率呢。
在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。
例如，正弦电源频率为1MHz时，电压波长为94.86m。加入连接线长度为1.5m,在如此短的尺度内，电压的空间变化是不明显的，整个导线的电压处处是一直的，基尔霍夫定律是使用的。假如把频率提高到10GHz时，情况便明显不同了，此时的波长降为0.949cm.加入传输线还是1.5cm。那么这么长的导线上的电压便处处不同了，空间位置就成了确定的信号了，基尔霍夫定律（集中参数理论）变无法适用了。
这边是集中参数理论与分布参数理论的区别：当电路元件的特征尺寸超过电磁波波长的十分之一时，基尔霍夫电路理论必须由分布参数的波动理论代替。
在高频电路中，我们一般考虑传输线的匹配问题，因为低频信号的波长相对于传输线来说很短，传输线无法看成是“长线”，反射就要考虑。在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，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（相等）时，在负载端就会产生反射。
3、为什么阻抗不匹配时会产生反射。
长线是几何长度与工作波长可相比拟的传输线，需用分布参数电路。
短线是几何长度与工作波长相比可忽略不计的线，用集总参数电路表示。
3.1、何谓传输线特性阻抗
以微波工作的传输线，长度比波长长，传输线导体上存在损耗电阻R，导体间电容C，漏电导G。这些参数在高频时呈现出对能量和信号传输的影响，他们的影响分布在传输线的每一点，故称作分布参数。R,L.C.G分别叫分布电阻，分布电感，分布电容，分布电导。从均匀到非均匀均匀传输线，取一小段线元，视作集总参数电路，得到等效电路
图3、每一小段应用基尔霍夫定律
省去推导过程得到传输线方程：
公式1、每一小段的电压电流变化即线上任一点的电压电流关系
对以上求解，省去求解过程得；
公式2、传输线电压电流标示公式3、传播系数
电压除以电流达到每一小段的阻抗即为特性阻抗：
公式4/5、特性阻抗
特性阻抗可以认为事宜纯电阻仅仅与传输线的尺寸、形状、形式有关，而与频率无关。
3.2、反射系数
A1,A2为常数，其值决定于传输线始端与终端电压电流的条件。下面我们着重讨论在知道终端电压电流的条件时，讨论沿线电压电流的表达式。
图4、传输线压线电压电流
得到：
公式6、得A1，A2参数
最后推导可得：
公式7、传输线上任一点的电压电流方程
同时认为：
入射波分量和反射波分量、
当ZL=Z0时，即反射波=0，便不会与入射波重叠，即不会出现过冲欠冲。
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