阻抗匹配在電子技術中的應用分析

2021-01-06 RFID世界網

　　1 引言

　　阻抗匹配問題是電子技術中的一項基本概念，通過匹配可以實現能量的最優傳送，信號的 最佳處理。總之，匹配關乎著系統的性能，使匹配則是使系統的性能達到約定準則下的最優。其實，阻抗匹配的概念還可擴展到整個電學之中，包括強電(以電能應 用為主)與弱電(以信號檢測與處理為主)兩個大的領域。再進一步，如果去掉阻抗的概念單就匹配而言，則其覆蓋的範圍將更為廣闊，比如：在RFID技術應用 中，技術與需求的滿足涉及到匹配的問題等。

　　本文主要討論阻抗匹配在電子技術中的應用，特別是在無源RFID標籤與讀寫器天線埠阻抗匹配中的應用。

　　2 阻抗匹配的幾種方式

　　在電子技術中，電壓(U/u)、電流(I/i)、電阻(R/r)或阻抗(Z/z)都是非常基本的電學概念，一個歐姆定律即將其貫穿起來，如式(1)所示：

　　其中，阻抗具有較電阻更一般的概念。基爾霍夫定律(KCL和KCL)則關係到一個子電路(一個閉合迴路或一個閉包)的電壓和電流應遵守的約束性關係。

　　討論阻抗匹配的問題最常用到的另外一個概念是戴維南定理，它是一個將複雜電路等效成為單一阻抗與理想電壓源相串聯的轉換，如圖1所示。

　　其中，圖1(a)中的NS和N分別為含有電源的阻抗網絡和純阻抗網絡。對於所研究的埠(A-A』)，埠的電壓與電流關係由戴維南定理保證了圖1(a)和圖1(b)的情況完全等效，再簡化可得到圖1(c)。

　　通過戴維南定理的等效轉換，分析研究埠的阻抗匹配問題均可轉化為圖1(c)的模型來進行。電源端的阻抗ZS和負載端的阻抗ZL可以分別寫成如式(2)所示的形式：

　　埠阻抗匹配問題的研究可以從2個基本方向來考慮：

　　(1)方向1：源端固定，即RS和XS不可變，考慮負載端RL和XL與源端的阻抗匹配問題。

　　(2)方向2：負載端固定，即RL和XS不可變，考慮源端RS和XS與負載端的阻抗匹配問題。

　　下面以方向1，源端固定負載改變以實現匹配的問題為例討論具體的匹配模式。結合式(2)與圖2(c)，可能的埠阻抗匹配有如下5種模式：

　　針對阻抗電路(由電源、電阻、電容、電感)，如果電源的頻率是可變的，或者涉及到多個不同頻率的電源時(疊加定理可處理)，則源端阻抗ZS和負載阻抗ZL均是頻率的函數(電阻R和電抗X)。此時的埠阻抗匹配問題的研究即是分析一個工作頻段內的阻抗匹配情況。

　　3 各種阻抗匹配的典型應用

　　前面提到的埠阻抗匹配的5種模式各具不同的應用，是由應用需求來選擇匹配的模式。下面分別舉例說明：

　　(1)共軛匹配

　　共軛匹配是實現負載從源端電源獲取最大功率的最佳匹配方案。負載獲取功率的計算公式如下式所示：

　　共軛匹配的典型應用是在最佳接收機設計時採用(如雷達接收機)。此時，圖2(c)中的電源代表的是接收到的信號，負載獲得最大功率意味著最有效地利用接收到的微弱信號的能量。

　　(2)模匹配

　　模匹配是實現負載從源端電源獲取最大功率的另一種匹配方案。該種方案是將負載阻抗看作一個整體的情況來考慮。負載獲取功率的計算公式如式所示。

　　比較模匹配與共軛匹配的情況，可得在模匹配時負載上獲得的功率要小於或等於共軛匹配時的情況。在無法獲得共軛匹配的情況下，可以考慮以模匹配的方式實現 負載獲取最大功率。共軛匹配與模匹配是以負載獲取最大功率為目的的2種解決方案，但其能量傳輸的效率相對較低。共軛匹配時的能量傳輸效率僅為50%(即有 一半的能量消耗在源內阻RS上)。

　　(3)虛部匹配

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