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技術(shù)應(yīng)用

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為何電阻值通常為 50 歐姆?

發(fā)布時間:2024-06-03作者來源:金航標瀏覽:1198


當我們深入討論射頻技術(shù)、PCB設(shè)計、阻抗匹配以及S參數(shù)等相關(guān)知識時,一個數(shù)字似乎格外引人注目,那就是50Ohm(歐姆)阻抗。這個數(shù)字在各種標準、應(yīng)用說明和設(shè)計指南中頻繁出現(xiàn),仿佛擁有某種特殊的魔力,成為了射頻領(lǐng)域的一個標志性符號。


那為什么是50Ohm,不是40Ohm,60Ohm或者100Ohm? 難道50Ohm真的與眾不同嗎?


[敏感詞]我們一起來了解下。


50Ohm這個標準的起源可以追溯到20世紀20年代末至30年代初,當時電信業(yè)正處于起步階段。工程師們在設(shè)計無線電發(fā)射器使用的是充氣同軸電纜,希望信號能傳得越遠越好,因此會用高功率發(fā)射,以便信號覆蓋更廣的區(qū)域。


但問題是,同軸電纜在傳輸中會有損耗,就像普通的電線一樣,如果功率太高,電纜可能會因為過熱而損壞,甚至熔化。所以,一直在尋找一種電纜,它既能承受較大的功率,又能保持低損耗,以實現(xiàn)更有效的射頻傳輸。


這可能嗎?


我們先從基本的同軸電纜說起,因為它的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體共軸,故叫此名。如下圖:


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注意哈,后面要說的到同軸線的功率容量與內(nèi)外導(dǎo)體半徑有很大的關(guān)系。

[敏感詞]我列了好多公式,沒興趣可以直接跳到下一段。

  • 同軸電纜的阻抗計算公式為:
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Ps:εr 是介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)當同軸電纜填充空氣時,η=120π。

  • 其功率容量為公式為:

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PS:擊穿電壓 Vb 對應(yīng)的擊穿電場強度Eb

  • 電纜的損耗主要由趨膚效應(yīng)決定,可以通過如下公式計算。
圖片
PS:Rs為金屬的表面電阻。

根據(jù)上面幾個公式的計算,具體過程就不此說了。最終發(fā)現(xiàn)在保證TEM 模式傳輸時的電纜:

  • [敏感詞]損耗時特性阻抗在77 Ohm;
  • [敏感詞]功率容量的特性阻抗為 30 Ohm

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另外,在TE10模式下,波導(dǎo)的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被設(shè)計成使得電場分布最優(yōu),這時波導(dǎo)的特性阻抗大約是60Ohm。這又涉及到其他背景了,咱們就不細說。


到這兒,我們還是看不出50Ohm阻抗怎么就成了標準。實際上據(jù)傳,50Ohm是上面 3 個值之間做出的一個折中選擇。它既接近77Ohm和30Ohm之間的平均值,也接近60歐姆,這使得它成為一個相對理想的選擇。

此外,對于某些介電填充電纜,損耗最小的阻抗恰好在50Ohm左右,這為選擇50Ohm提供了另一個自然的理由。

不過,除了50Ohm阻抗,75Ohm阻抗也是一個常見的標準。雖然電壓值的重要性相對較低,但75Ohm阻抗在某些情況下,如長距離電纜運行中,仍然是一個有效的選擇。低成本的同軸電纜,特別是那些帶有空氣或低介電填充物的,可以達到77Ohm的阻抗,而75Ohm則是一個容易記憶且實用的四舍五入數(shù)字。

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在高速或高頻信道中,S參數(shù)測量是一個重要的信號完整性指標。這些參數(shù)是根據(jù)某個參考阻抗定義的,通常選擇50Ohm或75Ohm,因為這些值與高速/射頻系統(tǒng)中的介質(zhì)相匹配。通過考慮所需的終端阻抗,我們可以更好地理解S參數(shù)測量,并在設(shè)計中實現(xiàn)目標。

總之,咱們還是要認為50Ohm阻抗標準并非隨意選擇,而是基于一系列科學(xué)分析和歷史發(fā)展的結(jié)果,比如說是[敏感詞]功率傳輸、[敏感詞]電壓和[敏感詞]衰減之間的平衡。

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