50歐姆阻抗：它來(lái)自何處以及為什么使用它

2021-03-06

當我們談?wù)?span>RF /高速PCB設計中的S參數，阻抗匹配，傳輸線(xiàn)和其他基本概念時(shí)，一遍又一遍地出現了50歐姆阻抗的概念。在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽信令標準，組件數據表，應用筆記和設計指南；這是一個(gè)反復出現的阻抗值。那么50 Ohm阻抗標準從何而來(lái)，為什么如此重要呢？孤立地看，選擇50歐姆阻抗似乎是完全任意的：為什么不選擇10歐姆或100歐姆呢？

答案主要取決于您問(wèn)誰(shuí)。RF社區，尤其是電纜設計師，擁有最佳答案，他們對同軸電纜的分析也為他們提供了解釋。除了一個(gè)專(zhuān)家的參考書(shū)，我從未見(jiàn)過(guò)關(guān)于PCB發(fā)生什么的討論，但是PCB的答案與常見(jiàn)邏輯電路的內部結構和電氣特性有關(guān)。如果您準備好上一堂歷史課，請選擇50歐姆阻抗值，然后繼續閱讀。我們甚至將研究75歐姆標準，以了解有關(guān)RF互連上的信號和功率傳輸的知識。

同軸電纜的歷史和50歐姆阻抗

50歐姆阻抗的歷史可以追溯到1920年代末/ 1930年代初，當時(shí)電信行業(yè)還處于起步階段。工程師正在設計用于無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機的充氣同軸電纜，這些同軸電纜的設計輸出功率為kW。這些電纜也將跨越很長(cháng)的距離，達到數百英里。這意味著(zhù)電纜的設計必須具有最高的功率傳輸，最高的電壓和最低的衰減。應該使用哪個(gè)阻抗來(lái)滿(mǎn)足所有三個(gè)目標？

事實(shí)證明，就像其他許多設計問(wèn)題一樣，不可能平衡所有三個(gè)目標。 

最低損耗：這取決于同軸電纜內部電介質(zhì)的損耗。對于充氣同軸電纜，這發(fā)生在大約77歐姆，或者對于某些絕緣介質(zhì)電纜，大約在50歐姆（在下面有更多說(shuō)明）。

最高電壓：這是基于充氣同軸電纜中的中心導體和側壁之間的電場(chǎng)。當構造導體使其阻抗約為60歐姆時(shí)，TE10模式下的電場(chǎng)將最大化。

最高的功率傳輸：任何尺寸的同軸電纜可能足夠長(cháng)，足以充當傳輸線(xiàn)并支持波傳播。同軸電纜承載的功率受到擊穿場(chǎng)和電纜阻抗V2 / Z的限制。事實(shí)證明，對于充氣式同軸電纜，在TE11截止以下運行時(shí)，功率傳遞最大程度約為30歐姆。

下圖顯示了損耗與功率之間的權衡。下面的文件由Wikimedia提供，但是您可以從許多其他參考文獻中找到類(lèi)似的圖形。您還可以使用阻抗，銅粗糙度/集膚效應和介電吸收來(lái)計算損耗，并生成專(zhuān)門(mén)用于同軸電纜的類(lèi)似圖形。功率計算需要針對基本傳播模式和特性阻抗使用完整解決方案。

關(guān)于上圖的理解點(diǎn)之一是，通常不包括電介質(zhì)色散，它會(huì )影響較高頻率下的結果。計算這些曲線(xiàn)時(shí)，色散（Dk值和損耗角正切）被認為具有平坦的色散，這可能與您的頻率范圍內的實(shí)際情況不符。但是，該曲線(xiàn)為我們提供了一個(gè)很好的主意，以了解為什么重點(diǎn)放在50歐姆阻抗上。

妥協(xié)還是介電？

這個(gè)問(wèn)題的快速答案是，在最小損耗，最大功率和最大電壓所對應的阻抗之間，最小的折衷是50 Ohms。實(shí)際上，50歐姆非常接近77到30歐姆之間的平均值，并且接近60歐姆，因此可以自然地假設這是50歐姆阻抗標準的原因。但是，可能會(huì )注意到，在填充PTFE的同軸電纜中，損耗最小的阻抗僅為50歐姆，因此這似乎是另一種自然的解釋?zhuān)?span>

75歐姆阻抗怎么樣？

事實(shí)證明，電壓值的重要性較小。您可能擔心承載力，最大程度地減少損耗，或者試圖平衡兩者。低成本的帶有空氣或低Dk介電填料的同軸電纜可以在長(cháng)距離電纜上產(chǎn)生77歐姆的阻抗，但是舍入到75歐姆而不是使用77歐姆的原因對我來(lái)說(shuō)仍然是個(gè)謎。有人會(huì )認為75 Ohms是一個(gè)很好的四舍五入的數字，容易記住，而有關(guān)Microwaves 101的一篇外部文章則聲稱(chēng)這是故意設計的。在鋼芯同軸電纜中，直徑略大一些以提供一些額外的柔韌性，因此阻抗將達到75歐姆。

轉換參考阻抗

當使用高速或高頻通道時(shí)，我們通常將S參數測量用作重要的信號完整性指標。這些是根據一些參考阻抗定義的，通常將其視為上述值之一（50或75歐姆），因為您可能要與高速/ RF系統中的其中一種介質(zhì)接口。我更愿意根據您所需的端接阻抗來(lái)考慮參考阻抗。您正在為每個(gè)端口拍攝75或50 Ohm的阻抗，S參數測量顯示出您如何偏離設計目標。

如果您在PCB上有用于互連的測量S參數矩陣，則可以通過(guò)以下轉換將其轉換為新的S參數矩陣：

具有兩個(gè)不同參考阻抗的S參數矩陣之間的轉換。

這對于了解在切換參考介質(zhì)（例如，在75至50歐姆阻抗電纜之間）時(shí)S參數可能如何變化很有用。通過(guò)使用術(shù)語(yǔ)“參考介質(zhì)”，我們在DUT /互連與理想的50/75歐姆電纜，50/75歐姆端口或另一輸入阻抗為50/75歐姆的組件之間進(jìn)行比較。