天天積累一點：射頻阻抗

對我來講，阻抗是一個很是使人困惑的概念（術語）。如下是我第一次學習阻抗概念時腦海中出現的許多問題。一樣的問題也讓你煩惱嗎？

當我第一次在高中物理中學習「電阻（Resistance ）」時，它說「電阻是一種使電流變得困難的趨勢」，而且它對我來講聽起來困擾了我很長時間。

像往常同樣，當我第一次聽到「阻抗（impedance）」時，我只是試着將其轉換成一種簡單的語言。可是當我試圖將它轉換成簡單的語言時，全部的混亂都開始出現，當我試圖深刻了解這個概念時，我會獲得更多的問題。

在「電阻」和「阻抗」之間，我沒有看到簡單語言方面來闡述這二者之間的差別。但若是沒有差別，爲何咱們須要一個新的術語？因此…我會說「電阻」和「阻抗」有很是密切的關係但不徹底相同。那有什麼區別？這就是我將在下一節中討論的內容。

什麼是阻抗

什麼是阻抗（impedance）？

如今讓咱們嘗試以更正式的方式定義「Impdeance」。若是我被要求用我本身的話來定義’Impedence’，我會定義「阻抗是改變（CHANGE）當前電流的任何形式的趨勢，」。我在個人定義中使用了「CHANGE（改變）」這個詞，而不是「OPPOSE（阻止）」或「MAKE DIFFICULT（變得困難）」。固然，「OPPOSE」或「MAKE DIFFICULT」能夠是一種「改變」，但不解釋「CHANGE（改變）」的全部方面。

我知道數學對你不過重要 - :)可是若是數學不太複雜，有時候理解概念會更清楚/更容易。不過咱們試試吧。您將在如下部分中看到此公式的詳細含義。試着在這裏瞭解大局。還想一想你將如何回答我在這裏提出的問題。

阻抗的數學分析

在頻率爲0的點（A），您會看到Reactive Component的值爲Zero（0）。這意味着由電感器在頻率0處引發的電抗因數變爲0.意味着電感器對直流電路中的阻抗沒有任何貢獻（能夠說’頻率= 0’表示直流）。你也能夠在直流電路中說「L就像’短路’（或只是一根簡單的電線）」。

在頻率爲無窮大的點（B），您會看到無功份量的值是無窮大。這意味着電容器在頻率0處引發的無功因數變得無限大。你能夠說「C在直流電路中表現得像’開路’（或只是斷線）」。

每一個Impendence（阻抗）組件的詳細信息
讓咱們看看如下三個插圖。咱們有三個標記爲（A），（B），（C）的狀況，而且每一個狀況分別具備標記爲「R」，「X」，「Y」的單個組件。假設咱們使用相同的電源來支持交流電壓/電流。 （我稍後會談到爲何我在這裏使用AC（非DC）源）。在右側，您能夠看到每一個組件的電壓和電流圖。

阻抗中每一個組件的電壓和電流圖

每一個組件都會阻止電流流動嗎？

是的。

你怎麼知道的 ？

若是它根本不反對（阻礙）電流，那麼電流應該是無限大的…可是它們在這裏並非很大。因此咱們能夠說全部這些組件都反對（阻礙）電流。

那麼上圖中狀況（A），（B），（C）之間有什麼區別？

不一樣之處在於電流曲線的相位差。在狀況（A）中，電流和電壓曲線之間沒有相位差。但在狀況（B）中，電壓曲線和電流曲線之間存在90度的相位差。 （在（B）中，電流曲線將電壓曲線引導90度。在（C）中，電流曲線滯後電壓曲線90度）。

在狀況（A）中改變電流的屬性（趨勢）被稱爲’電阻’，而在狀況（B）或（C）中改變電流的屬性（趨勢）被稱爲’電抗’。

稱爲「電阻器」的電氣設備具備與狀況（A）相同的特性。稱爲「電感器」的電氣設備具備如狀況（B）中的特性，而且稱爲「電容器」的電氣設備具備如狀況（C）中的特性。

在實際電路中（特別是在交流電路中），沒有那麼多的狀況下你只使用單一類型的元件，如類型（A），（B）或（C）。 在大多數狀況下，電路由全部這些類型的組合構成。

實際上，沒有器件顯示100％的（A）型屬性和0％的（B）/（C）型，而且沒有器件顯示100％的（B）/（C）型屬性 和0％（A）類型特性。 我會說每一個電子器件至少有一點全部這三個屬性。 所以，若是咱們看一下整個電路（或電路塊）的電流，咱們會看到全部類型（A），（B），（C）的綜合效應。 類型（A），（B），（C）的組合特性稱爲「阻抗」，以下所示。 如圖所示，阻抗同時表示電流變化的兩個屬性（當前的反對屬性和相變屬性）。

阻抗的屬性

爲何咱們使用複數來表示阻抗？
正如我上面提到的，「阻抗」是一個指示器，用於顯示「電阻（Resistance）」和「電抗（Reactance）」的組合屬性。 那麼咱們如何用數學術語表示這多個屬性。 你能夠想到幾種可能性。 一種可能性就是將其表示爲兩個單獨的數字。 另外一種可能性是在具備兩個元素的向量中表示它，另外一種可能性是將其表示爲複數。

什麼是最好的選擇？ 在數學上很難證實哪個是最佳選擇，但最普遍接受的是將其表示爲複數。 Registance / Reactance與複數的實部/虛部之間的關係以下所示。

阻抗與複數之間的關係

若是將每一個電氣元件（R，L，C）插入上面所示的狀況中，您將瞭解這些電氣元件屬性如何以複數的阻抗數表示。 請參見下圖。

電阻，電感以及電容與複數阻抗

什麼是阻抗匹配？
在大多數電路或系統中，能量從源提供並通過多箇中間塊並最終到達電路/系統的輸出。咱們一般會嘗試將能量從源頭輸送到輸出端，儘量減小損耗。爲了在能量從一個塊傳播到另外一個塊時最小化能量損失，最重要的條件之一是塊的阻抗和下一個塊的阻抗應該相同。阻抗匹配是使鄰近塊’匹配’的阻抗的過程（實踐）。 （這裏我使用的術語是’匹配（Matched）’，而不是’相同（Same）’。您將在後面看到緣由）。

阻抗匹配是大多數RF電路設計和實現中最重要的事情之一。它一般不只須要一些理論，還須要不少經驗。

更棘手的是，在特定頻率下進行阻抗匹配的條件可能不適用於另外一個頻率。所以，對於必須在寬頻率範圍內工做的組件（例如，寬帶RF濾波器），找到最佳阻抗匹配條件每每是很是困難的。

把它放到插圖中，它能夠以下圖說是。

若是你將一些能量放入一個組件（標記爲（A））並將其轉移到下一個區塊（標記爲（B）），則能量能夠分紅三個部分。有些部分會根據須要轉移到（B），但有些部分會反彈回（A）而另外一部分則會丟失（做爲熱量消散）。

信號傳輸示意圖

咱們的目標是最大化傳遞的能量部分，並最大限度地減小被反彈或丟失的能量。 一種方法是調整每一個塊的阻抗，使它們「匹配」。

阻抗匹配

而後’匹配’是什麼意思？ 即，「阻抗匹配」的條件是什麼？ 答案能夠總結以下。

阻抗匹配的條件