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每天积累一点:射频阻抗

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对我来说,阻抗是一个非常令人困惑的概念(术语)。以下是我第一次学习阻抗概念时脑海中出现的许多问题。同样的问题也让你烦恼吗?

当我第一次在高中物理中学习“电阻(Resistance )”时,它说“电阻是一种使电流变得困难的趋势”,并且它对我来说听起来困扰了我很长时间。

像往常一样,当我第一次听到“阻抗(impedance)”时,我只是试着将其转换成一种简单的语言。但是当我试图将它转换成简单的语言时,所有的混乱都开始出现,当我试图深入了解这个概念时,我会得到更多的问题。

在“电阻”和“阻抗”之间,我没有看到简单语言方面来阐述这两者之间的差异。但如果没有差异,为什么我们需要一个新的术语?所以…我会说“电阻”和“阻抗”有非常密切的关系但不完全相同。那有什么区别?这就是我将在下一节中讨论的内容。

每天积累一点:射频阻抗
什么是阻抗

什么是阻抗(impedance)?

现在让我们尝试以更正式的方式定义“Impdeance”。如果我被要求用我自己的话来定义’Impedence’,我会定义“阻抗是改变(CHANGE)当前电流的任何形式的趋势,”。我在我的定义中使用了“CHANGE(改变)”这个词,而不是“OPPOSE(阻止)”或“MAKE DIFFICULT(变得困难)”。当然,“OPPOSE”或“MAKE DIFFICULT”可以是一种“改变”,但不解释“CHANGE(改变)”的所有方面。

我知道数学对你不太重要 - :)但是如果数学不太复杂,有时候理解概念会更清楚/更容易。不过我们试试吧。您将在以下部分中看到此公式的详细含义。试着在这里了解大局。还想想你将如何回答我在这里提出的问题。

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阻抗的数学分析

在频率为0的点(A),您会看到Reactive Component的值为Zero(0)。这意味着由电感器在频率0处引起的电抗因数变为0.意味着电感器对直流电路中的阻抗没有任何贡献(可以说’频率= 0’表示直流)。你也可以在直流电路中说“L就像’短路’(或只是一根简单的电线)”。

在频率为无穷大的点(B),您会看到无功分量的值是无穷大。这意味着电容器在频率0处引起的无功因数变得无限大。你可以说“C在直流电路中表现得像’开路’(或只是断线)”。

每个Impendence(阻抗)组件的详细信息
让我们看看以下三个插图。我们有三个标记为(A),(B),(C)的情况,并且每个情况分别具有标记为“R”,“X”,“Y”的单个组件。假设我们使用相同的电源来支持交流电压/电流。 (我稍后会谈到为什么我在这里使用AC(非DC)源)。在右侧,您可以看到每个组件的电压和电流图。

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阻抗中每个组件的电压和电流图

每个组件都会阻止电流流动吗?

是的。

你怎么知道的 ?

如果它根本不反对(阻碍)电流,那么电流应该是无限大的…但是它们在这里并不是很大。所以我们可以说所有这些组件都反对(阻碍)电流。

那么上图中情况(A),(B),(C)之间有什么区别?

不同之处在于电流曲线的相位差。在情况(A)中,电流和电压曲线之间没有相位差。但在情况(B)中,电压曲线和电流曲线之间存在90度的相位差。 (在(B)中,电流曲线将电压曲线引导90度。在(C)中,电流曲线滞后电压曲线90度)。

在情况(A)中改变电流的属性(趋势)被称为’电阻’,而在情况(B)或(C)中改变电流的属性(趋势)被称为’电抗’。

称为“电阻器”的电气设备具有与情况(A)相同的特性。称为“电感器”的电气设备具有如情况(B)中的特性,并且称为“电容器”的电气设备具有如情况(C)中的特性。

在实际电路中(特别是在交流电路中),没有那么多的情况下你只使用单一类型的元件,如类型(A),(B)或(C)。 在大多数情况下,电路由所有这些类型的组合构成。

实际上,没有器件显示100%的(A)型属性和0%的(B)/(C)型,并且没有器件显示100%的(B)/(C)型属性 和0%(A)类型特性。 我会说每个电子器件至少有一点所有这三个属性。 因此,如果我们看一下整个电路(或电路块)的电流,我们会看到所有类型(A),(B),(C)的综合效应。 类型(A),(B),(C)的组合特性称为“阻抗”,如下所示。 如图所示,阻抗同时表示电流变化的两个属性(当前的反对属性和相变属性)。

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阻抗的属性

为什么我们使用复数来表示阻抗?
正如我上面提到的,“阻抗”是一个指示器,用于显示“电阻(Resistance)”和“电抗(Reactance)”的组合属性。 那么我们如何用数学术语表示这多个属性。 你可以想到几种可能性。 一种可能性就是将其表示为两个单独的数字。 另一种可能性是在具有两个元素的向量中表示它,另一种可能性是将其表示为复数。

什么是最好的选择? 在数学上很难证明哪一个是最佳选择,但最广泛接受的是将其表示为复数。 Registance / Reactance与复数的实部/虚部之间的关系如下所示。

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阻抗与复数之间的关系

如果将每个电气元件(R,L,C)插入上面所示的情况中,您将了解这些电气元件属性如何以复数的阻抗数表示。 请参见下图。

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电阻,电感以及电容与复数阻抗

什么是阻抗匹配?
在大多数电路或系统中,能量从源提供并经过多个中间块并最终到达电路/系统的输出。我们通常会尝试将能量从源头输送到输出端,尽可能减少损耗。为了在能量从一个块传播到另一个块时最小化能量损失,最重要的条件之一是块的阻抗和下一个块的阻抗应该相同。阻抗匹配是使邻近块’匹配’的阻抗的过程(实践)。 (这里我使用的术语是’匹配(Matched)’,而不是’相同(Same)’。您将在后面看到原因)。

阻抗匹配是大多数RF电路设计和实现中最重要的事情之一。它通常不仅需要一些理论,还需要很多经验。

更棘手的是,在特定频率下进行阻抗匹配的条件可能不适用于另一个频率。因此,对于必须在宽频率范围内工作的组件(例如,宽带RF滤波器),找到最佳阻抗匹配条件往往是非常困难的。

把它放到插图中,它可以如下图说是。

如果你将一些能量放入一个组件(标记为(A))并将其转移到下一个区块(标记为(B)),则能量可以分成三个部分。有些部分会根据需要转移到(B),但有些部分会反弹回(A)而另一部分则会丢失(作为热量消散)。

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信号传输示意图

我们的目标是最大化传递的能量部分,并最大限度地减少被反弹或丢失的能量。 一种方法是调整每个块的阻抗,使它们“匹配”。

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阻抗匹配

然后’匹配’是什么意思? 即,“阻抗匹配”的条件是什么? 答案可以总结如下。

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阻抗匹配的条件


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