神秘的50欧姆阻抗：它的来源及使用原因

当我们谈论S参数、阻抗匹配、传输线以及射频/高速PCB设计中的其他基本概念时，50欧姆阻抗的概念一次又一次地出现。浏览信号标准、元件数据手册、应用说明以及互联网上的设计指南；这是一个反复出现的阻抗值。那么，50欧姆阻抗标准从何而来，为什么它很重要呢？孤立地看，选择50欧姆阻抗似乎完全是任意的：为什么不是10欧姆或100欧姆呢？

答案在很大程度上取决于你询问的对象。射频社区，特别是电缆设计师，有最佳答案，他们对同轴电缆的分析支持了他们的解释。我从未见过有关PCB上发生的情况的讨论，除了一个专家参考资料，但PCB的答案与常见逻辑电路的内部结构和电气特性有关。如果你准备好了了解50欧姆阻抗值的历史课，那就继续阅读。我们甚至还会研究75欧姆标准，看看我们能学到什么关于射频互连上的信号和功率传输。

同轴电缆和50欧姆阻抗的历史

50欧姆阻抗的历史可以追溯到20世纪20年代末/30年代初，当时电信行业还处于起步阶段。工程师们设计了用于输出功率达千瓦级的无线电发射器的空气填充同轴电缆。这些电缆还需要跨越长距离，达到数百英里。这意味着电缆需要设计成具有最高的功率传输、最高的电压和最低的衰减。应该使用哪种阻抗来满足所有这三个目标呢？

事实证明，就像许多其他设计问题一样，要平衡这三个目标是不可能的。

• 最低损耗：这取决于同轴电缆内部介质中的损耗。对于充满空气的同轴电缆，这大约发生在77欧姆，或对于某些充满介质的电缆大约发生在50欧姆（下面会有更多解释）。
• 最高电压：这基于空气充满的同轴电缆中心导体和侧壁之间的电场。当导体构造使其阻抗大约为60欧姆时，TE10模式中的电场达到最大。
• 最高功率传输：任何尺寸的同轴电缆可能足够长，以充当传输线并支持波的传播。同轴电缆所承载的功率受到击穿场和电缆阻抗的限制：V2/Z。结果表明，对于在TE11截止以下运行的充满空气的同轴电缆，功率传输在大约30欧姆时达到最大。

下面的图表显示了损耗与功率之间的权衡。下面的文件由维基媒体提供，但您可以从许多其他参考资料中找到类似的图表。您还可以使用阻抗、铜箔粗糙度/皮肤效应和介电吸收计算损耗，并为同轴电缆生成特定的类似图表。功率计算需要使用基本传播模式的完整解决方案和特性阻抗。

关于上图需要理解的一点是，介电色散通常不包括在内，且在高频下会影响结果。在计算这些曲线时，假设Dk值和损耗角的色散为平坦色散，这可能与您的频率范围内的实际情况不符。然而，这条曲线很好地解释了为什么会聚焦于50欧姆阻抗。

妥协还是电介质？

对于这个问题的快速回答是，50 欧姆是在最小损耗、最大功率和最大电压对应的阻抗之间的最不坏的妥协。实际上，50 欧姆非常接近于 77 欧姆和 30 欧姆的平均值，并且它接近于 60 欧姆，所以自然会认为这是 50 欧姆阻抗标准的原因。然而，人们可能会注意到，在充满 PTFE 的同轴电缆中，最小损耗的阻抗就是大约 50 欧姆，所以这似乎是另一个自然的解释！

那么 75 欧姆阻抗呢？

事实证明，电压值的重要性不大；你要么担心传输功率，要么尽量减少损失，或者试图平衡这两者。低成本的同轴电缆使用空气或低介电常数（Dk）填充物，可以针对长电缆跑段选择77欧姆的阻抗，但为什么要将阻抗四舍五入到75欧姆而不使用77欧姆，这对我来说仍然是一个谜。人们会认为75欧姆是一个好记的整数，而《微波101》上的一篇外部文章声称这是一种故意的设计。在带有钢芯的同轴电缆中，直径略微超大，以提供一些额外的灵活性，因此阻抗会达到75欧姆。这是否属实，我无法确认，但我欢迎任何人通过LinkedIn联系我获取答案！

转换参考阻抗

在处理高速或高频通道时，我们通常使用S参数测量作为重要的信号完整性指标。这些参数是根据某些参考阻抗定义的，通常取上述值之一（50或75欧姆），因为您可能会在高速/射频系统中与这些介质之一进行接口。我更喜欢从您期望的终端阻抗角度来考虑参考阻抗；你的目标是在每个端口实现75或50欧姆的阻抗，S参数测量向您展示了在设计中您是如何偏离这个目标的。

如果您有PCB上一个互连的测量S参数矩阵，您可以通过以下转换将其转换为新的S参数矩阵：

这对于理解当您切换参考介质（例如，从75欧姆阻抗电缆到50欧姆阻抗电缆）时，S参数如何变化非常有用。通过使用“参考介质”一词，我们是在将我们的DUT/互连与理想化的50/75欧姆电缆、50/75欧姆端口或其他具有50/75欧姆输入阻抗的组件进行比较。

无论您需要设计到50欧姆阻抗还是其他某个值，Altium Designer®中的PCB布局功能包括了您需要的高速设计和射频设计工具。您可以在层堆栈管理器中访问集成的Simberian的3D场求解器，以实施您的PCB堆栈中的阻抗控制。

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