50欧姆阻抗：它来自何处以及為(wèi)什么使用(yòng)它

2021-03-06

当我们谈论RF /高速PCB设计中的S参数，阻抗匹配，传输線(xiàn)和其他(tā)基本概念时，一遍又(yòu)一遍地出现了50欧姆阻抗的概念。在互联网上浏览信令标准，组件数据表，应用(yòng)筆(bǐ)记和设计指南；这是一个反复出现的阻抗值。那么50 Ohm阻抗标准从何而来，為(wèi)什么如此重要呢(ne)？孤立地看，选择50欧姆阻抗似乎是完全任意的：為(wèi)什么不选择10欧姆或100欧姆呢(ne)？

答(dá)案主要取决于您问谁。RF社區(qū)，尤其是電(diàn)缆设计师，拥有(yǒu)最佳答(dá)案，他(tā)们对同轴電(diàn)缆的分(fēn)析也為(wèi)他(tā)们提供了解释。除了一个专家的参考书，我从未见过关于PCB发生什么的讨论，但是PCB的答(dá)案与常见逻辑電(diàn)路的内部结构和電(diàn)气特性有(yǒu)关。如果您准备好上一堂历史课，请选择50欧姆阻抗值，然后继续阅读。我们甚至将研究75欧姆标准，以了解有(yǒu)关RF互连上的信号和功率传输的知识。

同轴電(diàn)缆的历史和50欧姆阻抗

50欧姆阻抗的历史可(kě)以追溯到1920年代末/ 1930年代初，当时電(diàn)信行业还处于起步阶段。工程师正在设计用(yòng)于无線(xiàn)電(diàn)发射机的充气同轴電(diàn)缆，这些同轴電(diàn)缆的设计输出功率為(wèi)kW。这些電(diàn)缆也将跨越很(hěn)長(cháng)的距离，达到数百英里。这意味着電(diàn)缆的设计必须具有(yǒu)最高的功率传输，最高的電(diàn)压和最低的衰减。应该使用(yòng)哪个阻抗来满足所有(yǒu)三个目标？

事实证明，就像其他(tā)许多(duō)设计问题一样，不可(kě)能(néng)平衡所有(yǒu)三个目标。 

最低损耗：这取决于同轴電(diàn)缆内部電(diàn)介质的损耗。对于充气同轴電(diàn)缆，这发生在大约77欧姆，或者对于某些绝缘介质電(diàn)缆，大约在50欧姆（在下面有(yǒu)更多(duō)说明）。

最高電(diàn)压：这是基于充气同轴電(diàn)缆中的中心导體(tǐ)和侧壁之间的電(diàn)场。当构造导體(tǐ)使其阻抗约為(wèi)60欧姆时，TE10模式下的電(diàn)场将最大化。

最高的功率传输：任何尺寸的同轴電(diàn)缆可(kě)能(néng)足够長(cháng)，足以充当传输線(xiàn)并支持波传播。同轴電(diàn)缆承载的功率受到击穿场和電(diàn)缆阻抗V2 / Z的限制。事实证明，对于充气式同轴電(diàn)缆，在TE11截止以下运行时，功率传递最大程度约為(wèi)30欧姆。

下图显示了损耗与功率之间的权衡。下面的文(wén)件由Wikimedia提供，但是您可(kě)以从许多(duō)其他(tā)参考文(wén)献中找到类似的图形。您还可(kě)以使用(yòng)阻抗，铜粗糙度/集肤效应和介電(diàn)吸收来计算损耗，并生成专门用(yòng)于同轴電(diàn)缆的类似图形。功率计算需要针对基本传播模式和特性阻抗使用(yòng)完整解决方案。

关于上图的理(lǐ)解点之一是，通常不包括電(diàn)介质色散，它会影响较高频率下的结果。计算这些曲線(xiàn)时，色散（Dk值和损耗角正切）被认為(wèi)具有(yǒu)平坦的色散，这可(kě)能(néng)与您的频率范围内的实际情况不符。但是，该曲線(xiàn)為(wèi)我们提供了一个很(hěn)好的主意，以了解為(wèi)什么重点放在50欧姆阻抗上。

妥协还是介電(diàn)？

这个问题的快速答(dá)案是，在最小(xiǎo)损耗，最大功率和最大電(diàn)压所对应的阻抗之间，最小(xiǎo)的折衷是50 Ohms。实际上，50欧姆非常接近77到30欧姆之间的平均值，并且接近60欧姆，因此可(kě)以自然地假设这是50欧姆阻抗标准的原因。但是，可(kě)能(néng)会注意到，在填充PTFE的同轴電(diàn)缆中，损耗最小(xiǎo)的阻抗仅為(wèi)50欧姆，因此这似乎是另一种自然的解释！

75欧姆阻抗怎么样？

事实证明，電(diàn)压值的重要性较小(xiǎo)。您可(kě)能(néng)担心承载力，最大程度地减少损耗，或者试图平衡两者。低成本的带有(yǒu)空气或低Dk介電(diàn)填料的同轴電(diàn)缆可(kě)以在長(cháng)距离電(diàn)缆上产生77欧姆的阻抗，但是舍入到75欧姆而不是使用(yòng)77欧姆的原因对我来说仍然是个谜。有(yǒu)人会认為(wèi)75 Ohms是一个很(hěn)好的四舍五入的数字，容易记住，而有(yǒu)关Microwaves 101的一篇外部文(wén)章则声称这是故意设计的。在钢芯同轴電(diàn)缆中，直径略大一些以提供一些额外的柔韧性，因此阻抗将达到75欧姆。

转换参考阻抗

当使用(yòng)高速或高频通道时，我们通常将S参数测量用(yòng)作重要的信号完整性指标。这些是根据一些参考阻抗定义的，通常将其视為(wèi)上述值之一（50或75欧姆），因為(wèi)您可(kě)能(néng)要与高速/ RF系统中的其中一种介质接口。我更愿意根据您所需的端接阻抗来考虑参考阻抗。您正在為(wèi)每个端口拍摄75或50 Ohm的阻抗，S参数测量显示出您如何偏离设计目标。

如果您在PCB上有(yǒu)用(yòng)于互连的测量S参数矩阵，则可(kě)以通过以下转换将其转换為(wèi)新(xīn)的S参数矩阵：

具有(yǒu)两个不同参考阻抗的S参数矩阵之间的转换。

这对于了解在切换参考介质（例如，在75至50欧姆阻抗電(diàn)缆之间）时S参数可(kě)能(néng)如何变化很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。通过使用(yòng)术语“参考介质”，我们在DUT /互连与理(lǐ)想的50/75欧姆電(diàn)缆，50/75欧姆端口或另一输入阻抗為(wèi)50/75欧姆的组件之间进行比较。