射頻電路系統(tǒng)的傳輸線特征阻抗為什么設(shè)置為50歐姆

射頻電路系統(tǒng)的傳輸線特征阻抗為什么設(shè)置為50歐姆

很多剛接觸阻抗的人都會(huì)有這個(gè)疑問，為什么常見的板內(nèi)單端走線都是默認(rèn)要求按照50歐姆來管控而不是40歐姆或者60歐姆？這是一個(gè)看似簡(jiǎn)單但又不好回答的問題。為什么說不好回答呢？信號(hào)完整性問題本身就是一個(gè)權(quán)衡取舍的問題，所以在業(yè)內(nèi)最**的一句話也就是：\”It depends……\” 這就是沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，仁者見仁智者見智的一個(gè)問題。

今天我們也就這個(gè)問題綜合各種答復(fù)來簡(jiǎn)單總結(jié)下，在此也是拋磚引玉，希望更多的人可以從各自的角度出發(fā)總結(jié)出更多相關(guān)的因素。

首先，50歐姆是有一定歷史淵源的，這得從標(biāo)準(zhǔn)線纜說起。我們都知道近代電子技術(shù)很大一部分是來源于軍隊(duì)，慢慢的軍用轉(zhuǎn)為民用，在微波應(yīng)用的初期，二次世界大戰(zhàn)期間，阻抗的選擇完全依賴于使用的需要。隨著技術(shù)的進(jìn)步，需要給出阻抗標(biāo)準(zhǔn)，以便在經(jīng)濟(jì)性和方便性上取得平衡。在美國，最多使用的導(dǎo)管是由現(xiàn)有的標(biāo)尺竿和水管連接成的，51.5歐姆十分常見，但看到和用到的適配器/轉(zhuǎn)換器又是50歐姆到51.5歐姆;為聯(lián)合陸軍和海軍解決這些問題，一個(gè)名為JAN的組織成立了，就是后來的DESC，由MIL特別發(fā)展的，綜合考慮后最終選擇了50歐姆，并且特別的導(dǎo)管被制造出來，并由此轉(zhuǎn)化為各種線纜的標(biāo)準(zhǔn)。

此時(shí)歐洲標(biāo)準(zhǔn)是60歐姆，不久以后，在象Hewlett-Packard這樣在業(yè)界占統(tǒng)治地位的公司的影響下，歐洲人也被迫改變了，所以50歐姆最終成為業(yè)界的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沿襲下來，也就變成約定俗成了，而和各種線纜連接的PCB，為了阻抗的匹配，最終也是按照50歐姆阻抗標(biāo)準(zhǔn)來要求了。其次，從加工可實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，50歐姆實(shí)現(xiàn)起來比較方便。第三，從損耗的角度出發(fā)，根據(jù)基本的物理學(xué)可以證明50歐姆阻抗趨膚效應(yīng)損耗最小。

下面將通過幾個(gè)公式來說明下。這篇文章從幾方面，通過各種公式及各類資料的查證，詳細(xì)地說明了為什么PCB上的單端阻抗控制50歐姆。

什么是50歐姆特性阻抗天線，應(yīng)該如何理解其中的50歐姆

這個(gè)說起來話長(zhǎng)。要講起來涉及到的概念太多,我盡量說得簡(jiǎn)單一點(diǎn)。

微波頻段的電流和人們從小接受的直流“電流”概念不太一樣。

你要說直流電路里一個(gè)50歐姆的電阻,那就是電阻兩端的電壓比上期間的電流等于50。對(duì)50Hz的交流電也可以用這樣的描述。不過到了隨著頻率升高,以致到了微波頻段(300MHz以上),就要采用微波傳輸線的概念了。傳輸線嘛,不嚴(yán)格地講(非常不嚴(yán)格.)可以看成是兩根并排挨得很近的導(dǎo)體/導(dǎo)線(太不嚴(yán)格了,別問我波導(dǎo)),分別傳導(dǎo)著波動(dòng)的電流,在兩根導(dǎo)線之間又有波動(dòng)的電場(chǎng),波動(dòng)傳輸?shù)碾娏骷?lì)起波動(dòng)的磁場(chǎng),與兩根導(dǎo)線之間的波動(dòng)電場(chǎng)共同構(gòu)成了沿微波傳輸線傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)能量。

將兩根導(dǎo)線之間的電場(chǎng)積分得到一個(gè)值,理解為電壓,再把電流激勵(lì)的磁場(chǎng)積分,得到一個(gè)值,理解為電流(其實(shí)就是線上的電流),兩者之比就是該傳輸線的特性阻抗。天線,也可以理解為一段傳輸線,是從激勵(lì)端到自由空間的傳輸線。你問的50歐姆特性阻抗天線,指的就是在天線激勵(lì)端的傳輸線用一個(gè)電壓源加上一個(gè)射頻信號(hào)(微波信號(hào)),此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)傳輸線上的電流就是電壓的50分之一(標(biāo)準(zhǔn)單位制下)。

其實(shí)天線更應(yīng)該看做一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),將從設(shè)備上傳過來的射頻信號(hào)發(fā)射到自由空間中。這里又有兩個(gè)問題。一是自由空間的特性阻抗是377歐姆,而通常的射頻電路中的特性阻抗是50歐姆,因此天線需要實(shí)現(xiàn)50歐姆到377歐姆的過渡,否則輻射能力會(huì)弱很多;二是,為什么電路里一般是50歐姆呢百科?說來又話長(zhǎng),簡(jiǎn)單地說就是綜合考慮了電路中傳輸效率和損耗的平衡所做的折中。

以上是非常不嚴(yán)格的介紹,專為非專業(yè)人士。專業(yè)人士請(qǐng)無視。

為什么同軸電纜的特征阻抗是75歐姆和50歐姆

“同軸”一詞是從線材結(jié)構(gòu)得來。利用同性電荷排斥產(chǎn)生的集膚效應(yīng)，在正極的外圍包一層屏蔽，可減小環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾。

這樣，屏蔽層和芯線形成同心圓，所以稱為同軸。

為什么是75和50歐，而不是100、1000或其他數(shù)值呢？選定這兩個(gè)數(shù)值，是因?yàn)榧纫紤]“損耗最小”，也要考慮能承受“**擊穿功率”。對(duì)于空氣介質(zhì)，優(yōu)先考慮“損耗最小”，要求同軸線纜“屏蔽層內(nèi)徑”與“芯線外徑”的**比值為3.6（推導(dǎo)過程繁雜，略過），此時(shí)線纜特性阻抗為77Ω。這一比例下，線纜損耗雖然小，在遇到大功率時(shí)，屏蔽層和芯線層會(huì)出現(xiàn)擊穿。同理，當(dāng)考慮**功率容量時(shí)，屏蔽層內(nèi)徑與芯線外徑之比應(yīng)為1.65，此時(shí)對(duì)應(yīng)的特性阻抗為30Ω，此時(shí)線纜損耗也比較大。

所以，在傳輸功率不大的弱信號(hào)下（譬如電視信號(hào)），為計(jì)算簡(jiǎn)便，采用了75歐來作為低于77歐的最小損耗點(diǎn)。而50歐是77和30的平均近似，是最小損耗和**功率容量之間的折中值。即，50歐能比70歐有更大承載功率。

線纜特性阻抗有了根據(jù)后，為了阻抗匹配，輸出阻抗的設(shè)計(jì)值也就有了依據(jù)。

為什么大多數(shù)工程師喜歡用50歐姆作為PCB的傳輸線阻抗？

對(duì)于寬度確定的走線，3個(gè)主要的因素會(huì)影響PCB走線的阻抗。首先，是PCB走線近區(qū)場(chǎng)的EMI（電磁干擾）和這個(gè)走線距參考平面的高度是成一定的比例關(guān)系的，高度越低意味著輻射越小。

特性阻抗的測(cè)量單位為歐姆。

在高頻段頻率不斷提高時(shí)，特性阻抗會(huì)漸近于固定值。
例如同軸線將會(huì)是50或75歐姆;而雙絞線(用于電話及**通訊)將會(huì)是100歐姆(在高于1MHz時(shí))
粗同軸電纜與細(xì)同軸電纜是指同軸電纜的直徑大還是小。粗纜適用于比較大型的局部**,它的標(biāo)準(zhǔn)距離長(zhǎng)、可靠性高。由于安裝時(shí)不需要切斷電纜,因此可以根據(jù)需要靈活調(diào)整計(jì)算機(jī)的入網(wǎng)位置。

但粗纜**必須安裝收發(fā)器和收發(fā)器電纜,安裝難度大,所以總體造價(jià)高。
相反,細(xì)纜安裝則比較簡(jiǎn)單,造價(jià)低,但由于安裝過程要切斷電纜,兩頭須裝上基本**連接頭(BNC),然后接在T型連接器兩端,所以當(dāng)接頭多時(shí)容易產(chǎn)生接觸不良的隱患,這是目前運(yùn)行中的以太網(wǎng)所發(fā)生的最常見故障之一。