如果您是RF设计工程师或曾经与无线广播合作过的任何人，那么“阻抗匹配”一词应该不止一次地打动您。该术语至关重要，因为它直接影响发射功率，从而影响我们无线电模块的范围。本文旨在帮助您了解什么是阻抗匹配的基础知识，还将通过使用最常见的方法阻抗匹配变压器来帮助您设计自己的阻抗匹配电路。所以，让我们深入。
什么是阻抗匹配？
简而言之，阻抗匹配可确保一级的输出阻抗（称为源）等于下一级的输入阻抗（称为负载）。这种匹配可以实现最大的功率传输和最小的损耗。通过将其视为与电源串联的灯泡，您可以轻松理解此概念。第一个灯泡是第一级的输出阻抗（例如，一个无线电发射器），第二个灯泡是负载，即第二个灯泡的输入阻抗（例如，一个天线）。我们要确保将最大的功率传递给负载，在我们的情况下，这意味着将最大的功率传输到空中，以便可以从更远的地方听到广播电台。这个最大值 当源的输出阻抗等于负载的输入阻抗时，会发生功率传输，因为如果输出阻抗大于负载，则会在源中损失更多的功率（第一个灯泡更亮）。
驻波比–阻抗匹配的量度
用来定义两级匹配程度的度量称为SWR（驻波比）。它是较大阻抗与较小阻抗的比值，将50Ω发送器插入200Ω天线可得到4 SWR，而75Ω天线直接向NE612混频器供电（输入阻抗为1500Ω）则SWR为20。完美匹配，假设50Ω天线和50Ω接收器的SWR为1。
在无线电发射机中，低于1.5的SWR被认为是不错的，而高于3的SWR则可能由于功率输出级设备（真空管或晶体管）过热而导致损坏。在接收应用中，高驻波比不会造成损坏，但是会降低接收器的灵敏度，因为接收到的信号会由于失配和随之而来的功率损耗而衰减。
由于大多数接收机使用某种形式的输入带通滤波器，因此可以将输入滤波器设计为使天线与接收机的输入级相匹配。所有无线电发射器都有输出滤波器，用于将功率输出级与特定阻抗（通常为50Ω）匹配。某些发射器具有内置天线调谐器，如果天线的阻抗与指定的发射器的输出阻抗不同，可将其用于使发射器与天线匹配。如果没有天线调谐器，则必须使用外部匹配电路。由于失配造成的功率损耗很难计算，因此使用特殊的计算器或SWR损耗表。典型的SWR损耗表如下所示
使用上面的SWR表，我们可以计算功率损耗以及电压损耗。当负载阻抗低于电源阻抗时，由于失配而导致电压损失，而当负载阻抗高于电源阻抗时，电流损失。
我们带有200Ω天线和4 SWR的50Ω发射器将损失约36％的功率，这意味着与天线具有50Ω阻抗相比，将减少36％的功率传送到天线。损耗的功率将大部分在电源中耗散，这意味着如果我们的发射器发出100W的热量，则其中的36W也会被额外耗散。如果我们的50Ω发射器的效率为60％，则在向50Ω天线发射100 W时将耗散66W。当连接到200Ω天线时，它将耗散额外的36 W，因此随着发射机中的热量损失的总功率为102W。发射机中耗散的功率增加不仅意味着天线没有发射全部功率。但它也有可能损坏我们的发射器，因为它可以与之一起工作，耗散102 W而不是66W。
对于75Ω天线，向NE612 IC的1500Ω输入供电的情况，我们不必担心功率因热量而损失，而是可以通过使用阻抗匹配来提高信号电平。假设在天线中感应出13nW的RF。阻抗为75Ω时，13nW给出1 mV-我们希望将其与1500Ω负载匹配。为了计算匹配电路之后的输出电压，我们需要知道阻抗比，在本例中为1500Ω/ 75Ω= 20。电压比（如变压器的匝数比）等于阻抗比的平方根，因此√20≈8.7。这意味着输出电压将大8.7倍，因此将等于8.7 mV。匹配电路的作用就像变压器。
由于进入匹配电路的功率与离开电路的功率相同（减去损耗），因此输出电流将比输入电流小8.7倍，但输出电压会更大。如果我们将高阻抗与低阻抗相匹配，我们将获得较低的电压，但可获得较高的电流。
阻抗匹配变压器
称为阻抗匹配变压器的特殊变压器可用于匹配阻抗。变压器作为阻抗匹配设备的主要优点是它们具有宽带，这意味着它们可以在很宽的频率范围内工作。使用钢板芯的音频变压器（例如，用于真空管放大器电路中以使电子管的高阻抗与扬声器的低阻抗匹配的变压器）具有20Hz至20kHz的带宽，使用铁氧体甚至空芯制成的RF变压器可以具有1MHz-30MHz的带宽。
变压器可以用作阻抗匹配设备，因为它们的匝数比会改变电源“看到”的阻抗。如果您是变压器的新手，也可以查看变压器文章的基础知识。如果我们有一个匝数比为1：4的变压器，这意味着如果将1V AC应用于初级线圈，则输出端将有4V AC。如果我们在输出端增加一个4Ω电阻，则次级线圈中将流过1A电流，初级线圈中的电流等于次级线圈电流乘以匝数比（如果变压器是降压型（如市电）则除以变压器），因此1A * 4 = 4A。如果使用Ω定律确定变压器对电路的阻抗，则我们有1V / 4A =0.25Ω，而在匹配的变压器之后连接了4Ω负载。阻抗比为0.25Ω至4Ω或1：16.也可以用这个来计算阻抗比公式：
（n A / n B）²= r i
其中n A是匝数多的绕组的初级匝数，n B是匝数少的绕组的匝数，r i是阻抗比。这就是阻抗匹配的过程。
如果我们再次使用欧姆定律，但现在计算流入初级侧的功率，我们将有1V * 4A = 4W，在次级侧，我们将有4V * 1A = 4W。这意味着我们的计算是正确的，变压器和其他阻抗匹配电路提供的功率不会超过馈入的功率。这里没有自由能。
如何选择阻抗匹配变压器
当需要带通滤波时，可以使用变压器匹配电路，应在使用频率下与次级电感谐振。作为阻抗匹配设备的变压器的主要参数为：
- 阻抗比或更常用的匝数比（n）
- 初级电感
- 次级电感
- 初级阻抗
- 次级阻抗
- 自谐振频率
- 最低操作频率
- 最大运转频率
- 绕组配置
- 气隙的存在和最大 直流电流
- 最高 功率
初级匝数应足够，以便在最低工作频率下，变压器的初级绕组的电抗（它是一个线圈）是电源输出阻抗的四倍。
次级匝数等于初级匝数除以阻抗比的平方根。
我们还需要知道要使用哪种磁芯类型和尺寸，不同的磁芯在不同的频率下工作良好，而在其他频率下它们会表现出损耗。
铁心的大小取决于流过铁心的功率，因为每个铁心都会表现出损耗，而更大的铁心会更好地消除这些损耗，并且不会轻易出现磁饱和和其他有害物质。
如果使用的铁心是由铁片制成的，例如主电源变压器，则当直流电流流经变压器上的任何绕组时，都需要一个气隙。
变压器匹配电路-示例
例如，我们需要一个变压器，在接收器的3MHz至30MHz的频率范围内将50Ω源与1500Ω负载匹配。我们首先需要知道我们需要什么核心，因为它是接收器，只有很少的功率流经变压器，因此核心尺寸可能很小。 FT50-75是此应用程序中的一个很好的核心。根据制造商的说法，宽带变压器的频率范围为1MHz至50MHz，足以满足该应用的需求。
现在我们需要计算初级匝数，我们需要使初级电抗比源输出阻抗高4倍，即200Ω。在3MHz的最低工作频率下，10.6uH的电感具有200Ω的电抗。使用在线计算器，我们计算出需要在芯上缠绕2匝线才能获得16uH（略高于10.6uH），但在这种情况下，将其做大做小。 50Ω至1500Ω的阻抗比为30。由于匝数比是阻抗比的平方根，所以我们得到5.5左右，因此对于每个初级匝数，我们需要5.5个次级匝数，以使次级1500Ω看起来像50Ω至来源。由于初级线圈有2匝，因此次级线圈需要2 * 5.5匝，即11匝。电线的直径应遵循3A / 1mm 2 规则（每平方毫米导线横截面积最大3A电流）。
变压器匹配通常用于带通滤波器中，以使谐振电路与天线和混频器的低阻抗匹配。电路中负载的阻抗越高，带宽越低，Q越高。如果我们将谐振电路直接连接到低阻抗，则带宽通常会太大而无用。谐振电路由L1的次级和第一220 pF电容器组成，而L2的初级和第二220 pF电容器组成。
上图显示了在真空管音频功率放大器中使用的变压器匹配，以将PL841电子管的3000Ω输出阻抗与4Ω扬声器进行匹配。1000 pF C67可以防止在较高的音频频率发生振铃。
自耦变压器匹配以实现阻抗平衡
自耦变压器匹配电路是的变型变压器匹配电路，其中两个绕组连接在彼此的顶部一起。它通常用于IF滤波电感器，以及与基极匹配的变压器，用于将晶体管的较低阻抗匹配至高阻抗，从而使调谐电路的负载较少，并允许较小的带宽，从而具有更大的选择性。设计它们的过程实际上是相同的，一次绕组的匝数等于从线圈的抽头到“冷”或接地端的匝数，而二次绕组的匝数等于分接头与“热”端或连接到负载的端之间的匝数。
上图显示了一个自耦变压器匹配电路。如果使用C，则它是可选的，它应在使用频率下与L的电感谐振。这样，电路还提供了滤波。
该图像说明了中频变压器中使用的自耦变压器和变压器的匹配情况。自耦变压器的高阻抗连接到C17，该电容器与整个绕组形成谐振电路。由于该电容器连接到自耦变压器的高阻抗端，因此负载在调谐电路上的电阻较高，因此电路Q较大，IF带宽减小，从而提高了选择性和灵敏度。变压器匹配将放大的信号耦合到二极管。
晶体管功率放大器中使用的自耦变压器匹配，将晶体管的12Ω输出阻抗与75Ω天线相匹配。C55与自耦变压器的高阻抗端并联连接，形成一个谐振电路，可滤除谐波。