神秘的50歐姆阻抗：它的來源和我們?yōu)槭裁词褂盟?/h1>
發(fā)布人：電子資料庫(kù)
時(shí)間：2023-01-30
來源：工程師
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當(dāng)我們談?wù)撋漕l/高速PCB設(shè)計(jì)中的S參數(shù)、阻抗匹配、傳輸線和其他基本概念時(shí)，50歐姆阻抗的概念層出不窮。瀏覽互聯(lián)網(wǎng)上的信令標(biāo)準(zhǔn)、組件數(shù)據(jù)表、應(yīng)用說明和設(shè)計(jì)指南；這是一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的阻抗值。那么50歐姆阻抗標(biāo)準(zhǔn)從何而來，為什么它很重要？孤立地看，選擇50歐姆阻抗似乎完全是任意的：為什么不選擇10歐姆或100歐姆呢？
答案主要取決于你問誰。射頻社區(qū)，特別是電纜設(shè)計(jì)師，有最好的答案，他們對(duì)同軸電纜的分析支持了他們的解釋。除了一位專家的參考資料，我從來沒有看到過這種討論是關(guān)于PCB上發(fā)生的事情的，但是PCB的答案與常見邏輯電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣特性有關(guān)。如果你已經(jīng)準(zhǔn)備好上歷史課了50歐姆的阻抗值，那就繼續(xù)讀吧。我們甚至?xí)芯?5歐姆的標(biāo)準(zhǔn)，看看我們能學(xué)到什么關(guān)于射頻互連的信號(hào)和功率傳輸。
同軸電纜和50歐姆阻抗的歷史50歐姆阻抗的歷史可以追溯到20世紀(jì)20年代末30年代初，當(dāng)時(shí)電信業(yè)還處于初級(jí)階段。工程師們正在為設(shè)計(jì)輸出千瓦功率的無線電****機(jī)設(shè)計(jì)充氣同軸電纜。這些電纜也將跨越很長(zhǎng)的距離，達(dá)到數(shù)百英里。這意味著電纜需要設(shè)計(jì)成最高功率傳輸、最高電壓和最低衰減。應(yīng)該使用哪種阻抗來滿足這三個(gè)目標(biāo)？
事實(shí)證明，這三個(gè)目標(biāo)是不可能平衡的，就像在許多其他設(shè)計(jì)問題中一樣。
最低損耗：這取決于同軸電纜內(nèi)部介質(zhì)的損耗。對(duì)于充氣同軸電纜，在大約77歐姆時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況，對(duì)于某些介質(zhì)填充電纜，這種情況大約為50歐姆（更多信息請(qǐng)參見下文）。
最高電壓：這是基于中心導(dǎo)體和充氣同軸電纜側(cè)壁之間的電場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)體的阻抗約為60歐姆時(shí)，TE10模式下的電場(chǎng)最大。
最高功率傳輸：任何尺寸的同軸電纜都可能足夠長(zhǎng)，可以像傳輸線一樣支持波的傳播。同軸電纜承載的功率受擊穿場(chǎng)和電纜阻抗的限制：V2/Z。結(jié)果表明，對(duì)于在TE11截止值以下工作的充氣同軸電纜，功率傳輸在大約30歐姆時(shí)最大。
下圖顯示了損耗和功率之間的權(quán)衡。下面的文件由Wikimedia提供，但是您可以從許多其他參考資料中找到類似的圖形。您也可以使用阻抗、銅粗糙度/集膚效應(yīng)和介電吸收并為同軸電纜生成類似的圖形。功率計(jì)算需要對(duì)基波傳播模式和特性阻抗進(jìn)行全解。
關(guān)于上圖，需要了解的一點(diǎn)是，介質(zhì)色散通常不包括在內(nèi)，并且在較高的頻率下會(huì)影響結(jié)果。在計(jì)算這些曲線時(shí)，色散（Dk值和損耗切線）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。然而，這條曲線給了我們一個(gè)很好的解釋，為什么會(huì)把重點(diǎn)放在50歐姆阻抗上。
妥協(xié)還是絕緣？這個(gè)問題的快速答案是50歐姆是最小損耗、最大功率和最大電壓對(duì)應(yīng)的阻抗之間最小的折衷。事實(shí)上，50歐姆非常接近77到30歐姆之間的平均值，接近60歐姆，所以很自然地假設(shè)這就是50歐姆阻抗標(biāo)準(zhǔn)的原因。然而，人們可能會(huì)注意到，聚四氟乙烯填充同軸電纜的最小損耗阻抗只有大約50歐姆，所以這似乎是另一個(gè)自然的解釋！
75歐姆阻抗呢？事實(shí)證明，電壓值不那么重要；要么你擔(dān)心攜帶能量，盡量減少損失，要么試圖平衡兩者。帶有空氣或低Dk介質(zhì)填充物的低成本同軸電纜可以在長(zhǎng)距離電纜中達(dá)到77歐姆的阻抗，但是為什么要舍入到75歐姆而不是使用77歐姆，對(duì)我來說仍然是個(gè)謎。人們會(huì)認(rèn)為75歐姆是一個(gè)很好的四舍五入的數(shù)字，很容易記住，而一篇關(guān)于微波爐101的外部文章聲稱這是有意設(shè)計(jì)的。在鋼芯同軸電纜中，直徑稍微過大，以提供額外的靈活性，因此阻抗將達(dá)到75歐姆。不管這是不是真的，我不能證實(shí)，但我歡迎任何人請(qǐng)?jiān)贚inkedIn上聯(lián)系我并給出答案 !
參考阻抗變換在處理高速或高頻信道時(shí)，我們通常使用S參數(shù)測(cè)量作為重要的信號(hào)完整性度量。這些是根據(jù)一些參考阻抗定義的，通常取上述值之一（50或75歐姆），因?yàn)槟赡苷谂c高速/RF系統(tǒng)中的其中一種介質(zhì)接口。我更愿意把參考阻抗看成是你想要的終端阻抗；每個(gè)端口的阻抗為75或50歐姆S參數(shù)測(cè)量向你展示你在設(shè)計(jì)中是如何偏離這個(gè)目標(biāo)的。
如果您的PCB上有一個(gè)互連的測(cè)量S參數(shù)矩陣，您可以通過以下轉(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)矩陣之間的變換。
這有助于了解當(dāng)您切換參考介質(zhì)（例如，75至50歐姆阻抗電纜）時(shí)，S參數(shù)的變化情況。通過使用“參考介質(zhì)”一詞，我們將DUT/互連與理想化的50/75歐姆電纜、50/75歐姆端口或其他輸入阻抗為50/75歐姆的組件進(jìn)行比較。
無論您需要設(shè)計(jì)為50歐姆阻抗或其他值，PCB布局功能Altium Designer ?包括高速設(shè)計(jì)和射頻設(shè)計(jì)所需的工具。您可以訪問Simberian的三維場(chǎng)求解器在Layer Stack Manager中實(shí)現(xiàn)PCB堆棧中的阻抗控制。
*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。
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答案主要取決于你問誰。射頻社區(qū)，特別是電纜設(shè)計(jì)師，有最好的答案，他們對(duì)同軸電纜的分析支持了他們的解釋。除了一位專家的參考資料，我從來沒有看到過這種討論是關(guān)于PCB上發(fā)生的事情的，但是PCB的答案與常見邏輯電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣特性有關(guān)。如果你已經(jīng)準(zhǔn)備好上歷史課了50歐姆的阻抗值，那就繼續(xù)讀吧。我們甚至?xí)芯?5歐姆的標(biāo)準(zhǔn)，看看我們能學(xué)到什么關(guān)于射頻互連的信號(hào)和功率傳輸。
同軸電纜和50歐姆阻抗的歷史50歐姆阻抗的歷史可以追溯到20世紀(jì)20年代末30年代初，當(dāng)時(shí)電信業(yè)還處于初級(jí)階段。工程師們正在為設(shè)計(jì)輸出千瓦功率的無線電****機(jī)設(shè)計(jì)充氣同軸電纜。這些電纜也將跨越很長(zhǎng)的距離，達(dá)到數(shù)百英里。這意味著電纜需要設(shè)計(jì)成最高功率傳輸、最高電壓和最低衰減。應(yīng)該使用哪種阻抗來滿足這三個(gè)目標(biāo)？
事實(shí)證明，這三個(gè)目標(biāo)是不可能平衡的，就像在許多其他設(shè)計(jì)問題中一樣。
最低損耗：這取決于同軸電纜內(nèi)部介質(zhì)的損耗。對(duì)于充氣同軸電纜，在大約77歐姆時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況，對(duì)于某些介質(zhì)填充電纜，這種情況大約為50歐姆（更多信息請(qǐng)參見下文）。
最高電壓：這是基于中心導(dǎo)體和充氣同軸電纜側(cè)壁之間的電場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)體的阻抗約為60歐姆時(shí)，TE10模式下的電場(chǎng)最大。
最高功率傳輸：任何尺寸的同軸電纜都可能足夠長(zhǎng)，可以像傳輸線一樣支持波的傳播。同軸電纜承載的功率受擊穿場(chǎng)和電纜阻抗的限制：V2/Z。結(jié)果表明，對(duì)于在TE11截止值以下工作的充氣同軸電纜，功率傳輸在大約30歐姆時(shí)最大。
下圖顯示了損耗和功率之間的權(quán)衡。下面的文件由Wikimedia提供，但是您可以從許多其他參考資料中找到類似的圖形。您也可以使用阻抗、銅粗糙度/集膚效應(yīng)和介電吸收并為同軸電纜生成類似的圖形。功率計(jì)算需要對(duì)基波傳播模式和特性阻抗進(jìn)行全解。
關(guān)于上圖，需要了解的一點(diǎn)是，介質(zhì)色散通常不包括在內(nèi)，并且在較高的頻率下會(huì)影響結(jié)果。在計(jì)算這些曲線時(shí)，色散（Dk值和損耗切線）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。然而，這條曲線給了我們一個(gè)很好的解釋，為什么會(huì)把重點(diǎn)放在50歐姆阻抗上。
妥協(xié)還是絕緣？這個(gè)問題的快速答案是50歐姆是最小損耗、最大功率和最大電壓對(duì)應(yīng)的阻抗之間最小的折衷。事實(shí)上，50歐姆非常接近77到30歐姆之間的平均值，接近60歐姆，所以很自然地假設(shè)這就是50歐姆阻抗標(biāo)準(zhǔn)的原因。然而，人們可能會(huì)注意到，聚四氟乙烯填充同軸電纜的最小損耗阻抗只有大約50歐姆，所以這似乎是另一個(gè)自然的解釋！
75歐姆阻抗呢？事實(shí)證明，電壓值不那么重要；要么你擔(dān)心攜帶能量，盡量減少損失，要么試圖平衡兩者。帶有空氣或低Dk介質(zhì)填充物的低成本同軸電纜可以在長(zhǎng)距離電纜中達(dá)到77歐姆的阻抗，但是為什么要舍入到75歐姆而不是使用77歐姆，對(duì)我來說仍然是個(gè)謎。人們會(huì)認(rèn)為75歐姆是一個(gè)很好的四舍五入的數(shù)字，很容易記住，而一篇關(guān)于微波爐101的外部文章聲稱這是有意設(shè)計(jì)的。在鋼芯同軸電纜中，直徑稍微過大，以提供額外的靈活性，因此阻抗將達(dá)到75歐姆。不管這是不是真的，我不能證實(shí)，但我歡迎任何人請(qǐng)?jiān)贚inkedIn上聯(lián)系我并給出答案 !
參考阻抗變換在處理高速或高頻信道時(shí)，我們通常使用S參數(shù)測(cè)量作為重要的信號(hào)完整性度量。這些是根據(jù)一些參考阻抗定義的，通常取上述值之一（50或75歐姆），因?yàn)槟赡苷谂c高速/RF系統(tǒng)中的其中一種介質(zhì)接口。我更愿意把參考阻抗看成是你想要的終端阻抗；每個(gè)端口的阻抗為75或50歐姆S參數(shù)測(cè)量向你展示你在設(shè)計(jì)中是如何偏離這個(gè)目標(biāo)的。
如果您的PCB上有一個(gè)互連的測(cè)量S參數(shù)矩陣，您可以通過以下轉(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)矩陣之間的變換。
這有助于了解當(dāng)您切換參考介質(zhì)（例如，75至50歐姆阻抗電纜）時(shí)，S參數(shù)的變化情況。通過使用“參考介質(zhì)”一詞，我們將DUT/互連與理想化的50/75歐姆電纜、50/75歐姆端口或其他輸入阻抗為50/75歐姆的組件進(jìn)行比較。
無論您需要設(shè)計(jì)為50歐姆阻抗或其他值，PCB布局功能Altium Designer ?包括高速設(shè)計(jì)和射頻設(shè)計(jì)所需的工具。您可以訪問Simberian的三維場(chǎng)求解器在Layer Stack Manager中實(shí)現(xiàn)PCB堆棧中的阻抗控制。
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