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为什么是50欧姆,50欧姆阻抗的来源和意义

中科院半导体所 来源:通信百科 2024-11-22 10:43 次阅读

本文介绍了在射频PCB、阻抗匹配和S参数相关知识中经常提到的50Ohm(欧姆)阻抗的来源和意义。

当我们在说射频、PCB以及阻抗匹配和S参数相关知识时,经常会提到50Ohm(欧姆)阻抗。而且这个数字反复出现在各种标准、应用说明和设计指南中,好像有什么不一样的魅力。

那为什么是50Ohm,不是40Ohm,60Ohm或者100Ohm? 难道50Ohm真的与众不同吗?

下面我们一起来了解下。

50Ohm这个标准的起源可以追溯到20世纪20年代末至30年代初,当时电信业正处于起步阶段。工程师们在设计无线电发射器使用的是充气同轴电缆,希望信号能传得越远越好,因此会用高功率发射,以便信号覆盖更广的区域。

但问题是,同轴电缆在传输中会有损耗,就像普通的电线一样,如果功率太高,电缆可能会因为过热而损坏,甚至熔化。所以,一直在寻找一种电缆,它既能承受较大的功率,又能保持低损耗,以实现更有效的射频传输。

这可能吗?

我们先从基本的同轴电缆说起,因为它的内导体和外导体共轴,故叫此名。如下图:

注意哈,后面要说的到同轴线的功率容量与内外导体半径有很大的关系。

同轴电缆的阻抗计算公式为:

式中εr 是介质材料的相对介电常数,当同轴电缆填充空气时,η=120π。

其功率容量为公式为:

式中击穿电压 Vb 对应的击穿电场强度Eb。

电缆的损耗主要由趋肤效应决定,可以通过如下公式计算。

式中Rs为金属的表面电阻

根据上面几个公式的计算,具体过程就不在此展开了。最终发现在保证TEM 模式传输时的电缆:

最低损耗时特性阻抗在77Ohm;

最高功率容量的特性阻抗为 30Ohm。

另外,在TE10模式下,波导的导体结构被设计成使得电场分布最优,这时波导的特性阻抗大约是60Ohm。

到这儿,我们还是看不出50Ohm阻抗怎么就成了标准。实际上据传,50Ohm是上面3个值之间做出的一个折中选择。它既接近77Ohm和30Ohm之间的平均值,也接近60Ohm,这使得它成为一个相对理想的选择。

此外,对于某些介电填充电缆,损耗最小的阻抗恰好在50Ohm左右,这为选择50Ohm提供了另一个自然的理由。

不过,除了50Ohm阻抗,75Ohm阻抗也是一个常见的标准。虽然电压值的重要性相对较低,但75Ohm阻抗在某些情况下,如长距离电缆运行中,仍然是一个有效的选择。低成本的同轴电缆,特别是那些带有空气或低介电填充物的,可以达到77Ohm的阻抗,而75Ohm则是一个容易记忆且实用的四舍五入数字。

在高速或高频信道中,S参数测量是一个重要的信号完整性指标。这些参数是根据某个参考阻抗定义的,通常选择50Ohm或75Ohm,因为这些值与高速/射频系统中的介质相匹配。通过考虑所需的终端阻抗,我们可以更好地理解S参数测量,并在设计中实现目标。

总之,50Ohm阻抗标准并非随意选择,而是基于一系列科学分析和历史发展的结果,比如说是最高功率传输、最高电压和最低衰减之间的平衡。


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原文标题:为什么是 50 欧姆 ?

文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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