阻抗匹配是否意味着任何实际的射频发射器必须浪费> = 50％的能量？

16

根据最大功率传输定理，当给定固定的源阻抗时，必须选择负载阻抗以匹配源阻抗，以实现最大功率传输。

另一方面，如果源阻抗不是设计人员无法企及的，而不是使负载与源阻抗匹配，则可以简单地将源阻抗最小化以实现最大效率和功率传输，这是电源的一种常见做法和音频放大器。

但是，在RF电路中，为避免信号完整性问题，反射损耗以及反射引起的大功率RF放大器损坏，必须使用阻抗匹配来匹配所有源阻抗，负载阻抗以及功率放大器的特性阻抗。传输线，最后是天线。

如果我的理解是正确的，则匹配的电源和负载（例如，RF放大器输出和天线）构成一个分压器，每个分压器接收一半的电压。给定固定的总阻抗，这意味着在燃烧和加热RF发射器本身时总是浪费50％的功率。

那么，说阻抗匹配是否意味着任何实际的RF发射器的效率不能超过50％正确吗？而且任何实用的RF发送器必须浪费至少50％的能量？

amplifier rf impedance-matching

— 比尔贝壳
source

cas.ee.ic.ac.uk/people/dario/files/E418/ch2.pdf

— Sorenp，

1

快速总结：尽管在50欧姆的环境中，不需要50欧姆的电阻即可引起损耗。（为此感谢Andy）

— Analogsystemsrf

1

关于音频放大器，以排除RF引起的复杂性。典型的优质放大器是用来驱动4或8欧姆阻抗的扬声器，但该放大器的输出阻抗约为0.01欧姆。几乎所有的输出功率都消耗在扬声器中，而不是在放大器的输出级中。输出功率受输出端最大电压摆幅和外部负载阻抗的限制，而不受放大器本身的阻抗的限制。

— alephzero '19

19

如果您的电源是零欧姆输出电压源，然后是50欧姆电阻，那么可以，您认为正确。

但是，实用的RF放大器（至少是设计成高效的放大器）从来没有像这样建成。它们往往具有低阻抗的共发射极或源极级，然后是无功阻抗匹配，所有器件均设计为在50欧姆下工作。

有趣的是，如果您购买通用信号发生器，则通常将其构建为电压源，然后再加上一个真正的50欧姆电阻，因为效率不是问题，并且在非常宽的频率范围内具有精确定义的输出阻抗是主要设计目标。

— Neil_UK
source

2

那么，实际上的实际效率是多少？（您已经暗示它大于50％）。

— 罗伯特·哈维

3

@RobertHarvey没关系。获取特定的电路，对其进行建模或测量，然后找出答案。实际上，作为我们生产的信号发生器之一，我们需要的效率要比50欧姆电阻给我们带来的效率更高（在很小的空间中散热），因此以输出电阻容差为代价，我们使用了串联的22欧姆电阻，并且伺服放大器的输出以在输出上合成有效的50欧姆。

— Neil_UK

9

通常，RF放大器的输出阻抗远不能接近50R .....但是，它们被设计为驱动50R负载！

就像音频放大器一样，源阻抗通常与设计负载阻抗相距甚远，因为您不希望获得最大的功率传输，而是想要更接近最大效率的东西！

根据拓扑的不同，它们近似为电压源（低输出阻抗）或电流源（高输出阻抗）。

例如，如果考虑使用HF，推挽输出级，则该设备将在一定的设计电压和电流下工作，因此会产生一些“阻抗”（通常非常低），然后将其转换为行业标准50R。

该阻抗由设计人员设置，以在50R负载上产生一定的电压，该电压将提供无论设计的功率水平如何。请注意，这些输出设备可能处于C类甚至F类深层，并且实际上是作为耗散接近零功率的开关工作的，但是作为设计者，我仍然需要决定选择什么电压和什么电流作为工作点，以及如何进行转换。我需要获得输出的目标功率。

现在清楚地知道，如果您试图将这样的放大器运行在远离50R的负载上，那么功率器件所看到的电压和电流将不同于设计人员的预期，如果走得太远，则会冒烟。

更为复杂的是输出滤波器，以及（在UHF及以上频率）输出端接有终结器的可能性，这实际上使事物看起来像50R回头到输入。

— 丹·米尔斯
source

5

那么，说阻抗匹配是否意味着任何实际的RF发射器的效率不能超过50％正确吗？而且任何实用的RF发送器必须浪费至少50％的能量？

不，那是错的。您的帖子中的图表在此讨论中缺少基本的构建块：放大器本身。

可以根据其PAE（功率附加效率）来描述所有放大器。

P A E = \frac{P_{o u t} - P_{i n}}{P_{s u p p l y}} = \frac{P_{o u t} - \frac{P_{o u t}}{G}}{P_{s u p p l y}} = \frac{P_{o u t}}{P_{s u p p l y}} (1 - \frac{1}{G}) = η (1 - \frac{1}{G})

$PAE = \frac{P_{out}-P_{in}}{P_{supply}} = \frac{P_{out}-\frac{P_{out}}{G}}{P_{supply}} = \frac{P_{out}}{P_{supply}}\left({1-\frac{1}{G}}\right) = \eta\left({1-\frac{1}{G}}\right)$

PAE是此处的关键参数，因为放大器增益可能非常高。当阻抗匹配时，由发电机传递到放大器的功率实际上仅是最大发电机功率的50％。但是，如果增益足够高，则与放大器向负载传递的功率相比，浪费在发生器内部阻抗中的功率将非常低。因此，对总效率的影响可能很小。

$\eta = P_{out}/P_{supply}$

— 恩里克·布兰科（Enric Blanco）
source

4

那么，说阻抗匹配是否意味着任何实际的RF发射器的效率不能超过50％正确吗？而且任何实用的RF发送器必须浪费至少50％的能量？

不，这是不正确的。

通过电缆（通常为同轴电缆）将放大器连接到天线时，必须确保负载（天线）没有明显的功率反射，以免损坏放大器或使其效率降低。

如果天线阻抗与同轴电缆的特征阻抗匹配，则放大器可以驱动同轴电缆的馈电端，而无需任何串联源电阻。在驱动端看到的阻抗将是天线阻抗，因为它与电缆的特性阻抗匹配。

— 安迪（aka）
source

假设我有一个RF放大器，它的内部有一个RF功率MOSFET，其输出电阻非常低，输出连接到50欧姆同轴电缆连接器，然后连接到天线的同轴电缆。在这种情况下，您的意思是低阻抗MOSFET输出与同轴连接器之间唯一的实际串联电阻是PCB迹线，RF连接器和同轴电缆本身的50欧姆特性阻抗，而实际上没有无论如何，变送器中的电阻为50欧姆，因此仅消耗很少的功率？这是正确的理解吗？

— 比尔贝壳

1

这就是我的看法，但是可能有一些原因在放大器输出中具有串联电阻，但这不必用于匹配目的。例如，可以使用串联电阻来防止所使用的任何滤波器的Q系数过高。电流限制保护电路还有其他用途。

— 安迪（aka Andy）

另一个来自幻影的数字投票。

— 安迪（aka Andy）

2

阻抗包括实部（电阻）和虚部（电抗）。仅实数部分（电阻部分）消耗功率。从理论上讲，它可以具有50欧姆大小的纯电抗性，而不会耗散其中的任何功率。

阻抗的单位是伏特每安培。当谈论传输线的阻抗时，我们实际上是在谈论需要多少电流输入到传输线中，以使一定幅度的电压沿着传输线传播。表示电压与电流之比。

例如，CAT-5电缆的传播速度约为0.64 *C。每英尺的电容也约为15pF（每米48pF）。它的阻抗主要取决于双绞线之间的电容（当然会有一些小的电感和电阻组件）。

如果我们将1V信号放在线路的一端，则信号将以192,000,000 m / s的速度传播，信号每传播1米，便需要将48pF充电至1V（即48pC）。

1V * 48pF / m /（180M m / s）= 9.44mA。

1V / 9.44mA = 105.9欧姆（非常接近标称的100欧姆阻抗）。

— 用户名
source

-1

这是对的。“实用”放大器必须匹配由连接器，电缆，天线组成的输出。为了最终最大程度地向天线传输功率，> = 50％将浪费在其他地方。

— 千足纲
source

是的，以获得最大的功率输出。但是，实际的RF发送器可能无法设计成产生可能产生的最大功率。

— 布鲁斯·雅培