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50歐姆阻抗：它來(lái)自何處以及為什么使用它
當(dāng)我們談?wù)?span>RF /高速PCB設(shè)計(jì)中的S參數(shù)，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(xiàn)了50歐姆阻抗的概念。在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽信令標(biāo)準(zhǔn)，組件數(shù)據(jù)表，應(yīng)用筆記和設(shè)計(jì)指南；這是一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的阻抗值。那么50 Ohm阻抗標(biāo)準(zhǔn)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(qū)，尤其是電纜設(shè)計(jì)師，擁有最佳答案，他們對(duì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣特性有關(guān)。如果您準(zhǔn)備好上一堂歷史課，請(qǐng)選擇50歐姆阻抗值，然后繼續(xù)閱讀。我們甚至將研究75歐姆標(biāo)準(zhǔn)，以了解有關(guān)RF互連上的信號(hào)和功率傳輸?shù)闹R(shí)。
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(dāng)時(shí)電信行業(yè)還處于起步階段。工程師正在設(shè)計(jì)用于無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)的充氣同軸電纜，這些同軸電纜的設(shè)計(jì)輸出功率為kW。這些電纜也將跨越很長(zhǎng)的距離，達(dá)到數(shù)百英里。這意味著電纜的設(shè)計(jì)必須具有最高的功率傳輸，最高的電壓和最低的衰減。應(yīng)該使用哪個(gè)阻抗來(lái)滿(mǎn)足所有三個(gè)目標(biāo)？
事實(shí)證明，就像其他許多設(shè)計(jì)問(wèn)題一樣，不可能平衡所有三個(gè)目標(biāo)。
最低損耗：這取決于同軸電纜內(nèi)部電介質(zhì)的損耗。對(duì)于充氣同軸電纜，這發(fā)生在大約77歐姆，或者對(duì)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(dǎo)體和側(cè)壁之間的電場(chǎng)。當(dāng)構(gòu)造導(dǎo)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(zhǎng)，足以充當(dāng)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(duì)于充氣式同軸電纜，在TE11截止以下運(yùn)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(quán)衡。下面的文件由Wikimedia提供，但是您可以從許多其他參考文獻(xiàn)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(yīng)和介電吸收來(lái)計(jì)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(jì)算需要針對(duì)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(jié)果。計(jì)算這些曲線(xiàn)時(shí)，色散（Dk值和損耗角正切）被認(rèn)為具有平坦的色散，這可能與您的頻率范圍內(nèi)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(duì)應(yīng)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(shè)這是50歐姆阻抗標(biāo)準(zhǔn)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(dān)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(zhǎng)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?qū)ξ襾?lái)說(shuō)仍然是個(gè)謎。有人會(huì)認(rèn)為75 Ohms是一個(gè)很好的四舍五入的數(shù)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(shè)計(jì)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(dá)到75歐姆。
轉(zhuǎn)換參考阻抗
當(dāng)使用高速或高頻通道時(shí)，我們通常將S參數(shù)測(cè)量用作重要的信號(hào)完整性指標(biāo)。這些是根據(jù)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?yàn)槟赡芤c高速/ RF系統(tǒng)中的其中一種介質(zhì)接口。我更愿意根據(jù)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(shù)測(cè)量顯示出您如何偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)。
如果您在PCB上有用于互連的測(cè)量S參數(shù)矩陣，則可以通過(guò)以下轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為新的S參數(shù)矩陣：
具有兩個(gè)不同參考阻抗的S參數(shù)矩陣之間的轉(zhuǎn)換。
這對(duì)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(shù)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?cè)?span>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。