阻抗匹配中50欧姆的由来.

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1、阻抗匹配中 50 欧姆的由来为什么大多数工程师喜欢用 50 欧姆作为 PCB 的传输线阻抗 (有时候这个值甚至就 是 PCB 板的缺省值 ,为什么不是 60 或者是 70 欧姆呢 ?对于宽度确定的走线 , 3 个主要的因素会影响PCB 走线的 阻抗。首先 ,是 PCB走 线近区场的 EMI ( 电磁干扰和这个走线距参考平面的高度是成一定的比例关系的 , 高 度越低意味着辐射越小。其次 ,串扰会随走线高度有显著的变化 ,把高度减少一半 , 串 扰会减少到近四分之一。最后 ,高度越低阻抗越小 ,不易受电容性负载影响。所有的三 个因素都会让设计者把走线尽量靠近参考平面。阻止你把走线高度降到零的原因是

2、 ,大 多数芯片驱动不了阻抗小于 50 欧姆的传输线。 (这个规则的特例是可以驱动 27 欧姆的 Rambus 以,及 National 的的 BTL 系列 ,它可以驱动 17 欧姆并不是所有的情况都是用 50 欧姆最好。例如 , 8080处理器的很老的 NMOS 结构 ,工作在 100KHz ,没有 EMI , 串扰和电容性负载的问题 ,它也不能驱动 50 欧姆。对于这个处理器来说 ,高的阻抗意 味着低功耗 , 你要尽可能的用细的 , 高的这样有高阻抗的线。纯机械的角度也要考虑到。 例如 ,从密度上讲 ,多层板层间距离很小 , 70 欧姆阻抗所需要的线宽工艺很难做到。这 种情况 ,你应该用

3、50 欧姆 ,它的线宽更加宽 ,更易于制造。同轴电缆的阻抗又是怎么样的呢?在 RF 领域 , 和 PCB 中考虑的问题不一样 , 但是 RF 工业中同轴电缆也有类似的阻抗范围。根据 IEC 的出版物 (1967 年 , 75 欧姆是一 个常见的同轴电缆 (注:空气作为绝缘层阻抗标准 ,因为你可以和一些常见的天线配 置相匹配。它也定义了一种基于固态聚乙烯的 50 欧姆电缆 ,因为对于直径固定的外部 屏蔽层和介电常数固定为 2.2(固态聚乙烯的介电常数的时候 , 50 欧姆阻抗趋肤效应 损耗最小。你可以从基本的物理学来证明 50 欧姆是最好的 ,电缆的趋肤效应损耗 L ( 以分贝 做单位和总的趋肤

4、效应电阻 R (单位长度除以特性阻抗 Z0 成正比。总的趋肤效应 电阻 R 是屏蔽层和中间导体电阻之和。屏蔽层的趋肤效应电阻在高频时 ,和它的直径 d2 成反比。同轴电缆内部导体的趋肤效应电阻在高频时 ,和他的直径 d1 成反比。总共 的串联电阻 R ,因此和 (1/d2 +1/d1 成正比。综合这些因素 ,给定 d2 和相应的隔离材料 的介电常数 ER ,你可以用以下公式来减少趋肤效应损耗。(1在任何关于电磁场和微波的基础书中,你都可以找到 Z0 是 d2, d1 和 ER (博主注 :绝缘层的相对介电常数的函数(2把公式 2 带入公式 1 中,分子分母同时乘以d2, 整理得到(3公式 3

5、分离出常数项 (/60*(1/d2, 有效的项 (1+d2/d1 /ln(d2/d1 确定最小点。 仔细查看公式三公式的最小值点仅由 d2/d1ER 以及固定值 d2 无关。以 d2/d1 为参数 ,为 L 做图 ,显示 d2/d1=3.5911时(注 :解一个超越方程 固态聚乙烯的介电常数为 2.25, d2/d1=3.5911得出特性阻抗为 51.1 欧姆。很久之前 ,无线电工程师为了方便使用 ,把这个值近似为 50 欧姆作为同轴电缆最优值。这证明了在 50 欧姆附近 , L 是最小的。但这并不影响你使用其他阻抗。例如 ,你做一个 75 欧姆的 电缆 , 有着同样的屏蔽层直径 (注 :d2

6、 和绝缘体 (注:ER , 趋肤效应损耗会增加 12%。 不同的绝缘体 ,用最优 d2/d1 比例产生的最优阻抗会略有不同 (注 :比如空气绝缘就对 应 77 欧姆左右 ,工程师取值 75 欧姆方便使用 。其他补充 :上述推导也解释了为什么 75 欧姆电视电缆切面是藕状空芯结构而 50 欧 姆通信电缆是实芯的。 还有一个重要提示 , 只要经济情况许可 , 尽量选择大外径电缆 (博 主注 :d2 ,除了提高强度外 ,更主要的原因是 ,外径越大 ,内径也越大 (最优的径比 d2/d1 ,导体的 RF 损耗当然就越小。为什么 50 欧姆成为了射频传输线的阻抗标准?鸟牌电子公司提供了一个最为流传的故事

7、版本 ,来自于 Harmon Banning 的电缆 :关于 50 欧姆的来历可能有很多故事 。在微波应用的初期 ,二次世界大战期间 , 阻抗的 选择完全依赖于使用的需要 . 对于大功率的处理 , 30 欧姆和 44 欧姆常被使用。 另一方面 , 最低损耗的空气填充线的阻抗是 93 欧姆。在那些岁月里 ,对于很少用的更高频率 ,没 有易弯曲的软电缆 ,仅仅是填充空气介质的刚性导管。半刚性电缆诞生于 50 年代早期 , 真正的微波软电缆出现是大约 10 年以后了。随着技术的进步 , 需要给出阻抗标准 ,以 便在经济性和方便性上取得平衡。 在美国 , 50 欧姆是一个折中的选择 ; 为联合陆军和海

8、 军解决这些问题 ,一个名为 JAN 的组织成立了 ,就是后来的 DESC ,由 MIL 特别发展 的。欧洲选择了 60 欧姆。事实上 ,在美国最多使用的导管是由现有的标尺竿和水管连 接成的 , 51.5 欧姆是十分常见的。看到和用到 50 欧姆到 51.5 欧姆的适配器 /转换器 ,感 觉很奇怪的。最终 50 欧姆胜出了 ,并且特别的导管被制造出来 (也可能是装修工人略 微改变了他们管子的直径 。不久以后 ,在象Hewlett-Packard 这样在业界占统治地位的 公司的影响下 ,欧洲人也被迫改变了。 75 欧姆是远程通讯的标准 ,由于是介质填充线 , 在 77 欧姆获得最低的损耗。 93 欧姆一直用于短接续 ,如连接计算机主机和监视器 ,其 低电容的特点 , 减少了电路的负载 , 并允许更长的接续 ; 感兴趣的读者可以查阅 MIT Rad Lab Series 的第 9 卷 ,里面有更详细的描述。