兩種最常用的“標(biāo)準(zhǔn)”阻抗是50Ω和75Ω，為何如此？它們各自的作用又是什么？

剛?cè)腴T的電子工程師必須掌握的問(wèn)題之一就是阻抗和阻抗匹配的概念，特別是與傳輸線、電纜和連接器有關(guān)的概念。此FAQ(常見(jiàn)問(wèn)題解答)涉及兩種最常用的“標(biāo)準(zhǔn)”阻抗50Ω和75Ω，那么為何如此？它們各自的作用又是什么？同軸電纜和傳輸線之間有著明顯的關(guān)系。同軸電纜等傳輸線似乎是簡(jiǎn)單的無(wú)源組件，僅由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體或屏蔽層組成，如圖1(上圖)所示。

圖1同軸電纜原理圖(上)沒(méi)有給出其等效電路模型(下)的任何提示。來(lái)源：Circuit Design Inc.

簡(jiǎn)單地說(shuō)，它只是一個(gè)被360°屏蔽完全包圍的導(dǎo)體(電線)，用于限制從中心導(dǎo)體電線輻射出的電磁能，同時(shí)也防止外部能量撞擊到電線上。但同軸電纜/傳輸線的情況遠(yuǎn)不止這些。當(dāng)然，更重要的是，盡管物理上只有兩個(gè)導(dǎo)體(中心線和屏蔽層)，但對(duì)于信號(hào)源或發(fā)射器來(lái)說(shuō)電纜似乎是由分布電感和電容構(gòu)成的，如圖1(下圖)中的等效電路所示。同軸電纜充當(dāng)波導(dǎo)，既用于支持電磁能的傳播又會(huì)限制電磁能。

50Ω還是75Ω？

傳輸線具有特性阻抗，通常表示為Zo。根據(jù)導(dǎo)體尺寸、內(nèi)部間隔以及電纜內(nèi)導(dǎo)體和外屏蔽之間間隔絕緣體的介電特性，電纜的特性阻抗可以有多種可能的值，最常見(jiàn)的值為50Ω或75Ω。當(dāng)射頻工程師考慮其項(xiàng)目傳輸線的阻抗時(shí)，他們可能會(huì)自動(dòng)假設(shè)所有這些線路的標(biāo)稱阻抗均為50Ω。這是有道理的，因?yàn)楫?dāng)今的大部分射頻設(shè)計(jì)工作都是圍繞這個(gè)值進(jìn)行的。它并不是一個(gè)隨機(jī)的數(shù)字，從技術(shù)上使用50Ω有充分的理由。然而，也有許多RF應(yīng)用的傳輸線阻抗為75Ω。而這些應(yīng)用大多與視頻信號(hào)和有線電視有關(guān)，會(huì)用75Ω?jìng)鬏斁€完成許多相關(guān)功能，例如樓宇范圍內(nèi)的分配放大器。對(duì)于這些領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員和終端用戶來(lái)說(shuō)，75Ω是“正?！弊杩?，而50Ω是個(gè)奇怪的值(現(xiàn)在您甚至可以在美國(guó)家得寶和類似的大型商場(chǎng)買到75Ω電纜)。使用兩種截然不同的阻抗引發(fā)了一些有趣的問(wèn)題：為什么會(huì)有兩種標(biāo)準(zhǔn)阻抗？哪個(gè)“更好”，好在哪里，以什么方式體現(xiàn)？為什么會(huì)有這些值？選擇使用哪個(gè)真的很重要嗎？如果重要的話，具體表現(xiàn)在哪些方面？這些同軸電纜及其連接器看似簡(jiǎn)單，但是它們并不僅僅只是一個(gè)帶有環(huán)繞屏蔽層的實(shí)心內(nèi)導(dǎo)體，同軸電纜實(shí)際上是一種尺寸精確的電磁能波導(dǎo)(圖2)。

圖2同軸電纜的物理結(jié)構(gòu)在概念上很簡(jiǎn)單，但它實(shí)際上是一個(gè)由精心指定的材料制成的尺寸精細(xì)的組件。來(lái)源：Elsevier/Science Direct

選擇正確的阻抗

阻抗問(wèn)題的答案既有歷史原因又有技術(shù)原因。這要從Lloyd Espenscheid和Herman Affel所做的工作說(shuō)起，他們于1929年在著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)開(kāi)發(fā)并解析了第一根同軸電纜(美國(guó)專利號(hào)，U.S. Patent 1,835,031，“Concentric Conducting System”)。他們的目標(biāo)是找到一種傳輸介質(zhì)來(lái)傳播4MHz信號(hào)(在早期的長(zhǎng)途電話時(shí)代，這是一個(gè)非常寬的帶寬)，需要這種信號(hào)在數(shù)百英里內(nèi)傳輸大約1,000個(gè)帶寬有限的模擬語(yǔ)音呼叫。要做到這一點(diǎn)，就需要一條既能承受高電壓又能承受高功率的傳輸線。兩位研究人員分析了衰減、額定電壓和額定功率等關(guān)鍵傳輸線參數(shù)，并得到了一張重要的圖表和相關(guān)結(jié)論(圖3)。

圖3關(guān)鍵的傳輸線參數(shù)包括衰減、額定電壓和額定功率，每個(gè)參數(shù)在不同的阻抗下都有一個(gè)最佳值。來(lái)源：EEVblog電子社區(qū)論壇

分析研究了阻抗函數(shù)的三個(gè)特性的性能：

1. 衰減(損耗)很大程度上取決于電纜中的電介質(zhì)。對(duì)于Affel和Espenscheid分析的充氣同軸電纜，最低損耗約為77Ω，而某些電介質(zhì)的損耗約為50Ω。
2. 電壓最大值是同軸外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體之間的電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)。對(duì)于在TE10電磁場(chǎng)(EM)波導(dǎo)模式下支持RF信號(hào)的同軸電纜，在大約60Ω時(shí)電場(chǎng)值最大。
3. 功率處理能力由擊穿電場(chǎng)和阻抗(V2/Z)決定，對(duì)于工作在TE11模式截止頻率以下的充氣同軸電纜，功率傳輸在30Ω左右時(shí)達(dá)到最大值。

那么，什么才是最佳值呢？與大多數(shù)工程決策一樣，不存在“理想”的阻抗值，相反，最好的選擇需要反復(fù)權(quán)衡。對(duì)于發(fā)射器或線路驅(qū)動(dòng)器等信號(hào)源的輸出，50Ω值是功率和電壓的良好折衷方案。相反，對(duì)于以低衰減為主要目標(biāo)的情況，例如來(lái)自天線或模擬視頻鏈路的低電平信號(hào)，75Ω是更好的選擇。75Ω是理想的阻抗還有其他原因。標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子天線在其諧振頻率下的“自然”阻抗為73Ω，而廣泛使用的折疊偶極子天線的阻抗為300Ω。這意味著75Ω幾乎可以與較大的偶極子完美匹配，同時(shí)使用基本的4:1巴倫也很容易將折疊偶極子與75Ω的傳輸線緊密匹配。

最終分析

實(shí)際上，在單個(gè)設(shè)計(jì)中使用不同的阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。例如，幾厘米的短距離內(nèi)，損耗的差異可能可以忽略不計(jì)。此外，將75Ω電纜連接到50Ω電纜時(shí)，電壓駐波比(VSWR)為1.5:1，這可能是一個(gè)能接受的非統(tǒng)一值，因?yàn)樵谠S多低或中功率情況下，VSWR低于2:1被認(rèn)為是可以接受的。將電纜和阻抗理論與實(shí)際應(yīng)用中的同軸電纜聯(lián)系起來(lái)非常困難。將電磁場(chǎng)理論和分析轉(zhuǎn)化為實(shí)際傳輸線是同軸電纜的功能所在，大多數(shù)同軸電纜都有“RG”標(biāo)識(shí)，RG即Radio Guide，來(lái)自于二戰(zhàn)時(shí)最初的美國(guó)同軸電纜軍用標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜有無(wú)數(shù)種，這還不包括線軸長(zhǎng)度。這很大程度上是因?yàn)槌俗杩怪?，電纜的電氣和機(jī)械性能因素還存在許多其他折衷因素。一般來(lái)說(shuō)，較低的頻率需要較大直徑的電纜來(lái)適應(yīng)低衰減的射頻波長(zhǎng)，而較細(xì)的電纜適用于較高的頻率。對(duì)于幾十千兆赫的低功率射頻，同軸電纜的直徑可能只有一到兩毫米。同時(shí)，較細(xì)的電纜無(wú)法處理大量的射頻功率，因此必須遷移到具有適當(dāng)高頻性能的較粗電纜上。設(shè)計(jì)人員要密切關(guān)注設(shè)計(jì)中使用的標(biāo)稱阻抗。首先，他們不應(yīng)該假設(shè)系統(tǒng)的阻抗為50Ω，因?yàn)閷?shí)際上系統(tǒng)可能為75Ω，反之亦然。此外，在制定最重要的物料清單(BOM)時(shí)，必須檢查同軸電纜和相關(guān)連接器的阻抗值，或是指定的任何預(yù)切割和端接電纜的阻抗值。設(shè)計(jì)人員很容易就在無(wú)意中選擇了75Ω同軸電纜，而不是預(yù)期想要的50Ω同軸電纜，反之亦然。此外，諸如經(jīng)典BNC(最古老但仍在使用的連接器類型之一)之類的連接器有50Ω和75Ω兩種版本，它們看起來(lái)幾乎一樣，只有尺寸上有細(xì)微差別。用戶甚至只需稍加"壓力"，就能將它們接合起來(lái)。因此，雖然大多數(shù)射頻設(shè)計(jì)都采用50Ω的同軸電纜和連接器，但不要忽視或忽略75Ω的同軸電纜和連接器，它們可能才是項(xiàng)目的正確選擇，或者已經(jīng)被設(shè)計(jì)好在項(xiàng)目中使用。您是否曾因使用50Ω而被絆倒或陷入困境，而應(yīng)用中75Ω才是正確值，或者反之亦然？