L'Enigmatica Impedenza di 50 Ohm: Da Dove Proviene e Perché La Utilizziamo

Quando parliamo di parametri S, adattamento dell'impedenza, linee di trasmissione e altri concetti fondamentali nel design di PCB ad alta velocità/RF, il concetto di impedenza a 50 Ohm ricorre continuamente. Esaminando gli standard di segnalazione, i datasheet dei componenti, le note applicative e le linee guida di progettazione su internet; questo è un valore di impedenza che si ripete frequentemente. Da dove proviene quindi lo standard di impedenza a 50 Ohm e perché è importante? Preso isolatamente, scegliere un'impedenza di 50 Ohm sembrerebbe totalmente arbitrario: perché non 10 Ohm o 100 Ohm?

La risposta dipende principalmente da chi si chiede. La comunità RF, e in particolare i progettisti di cavi, hanno la risposta migliore, e la loro analisi dei cavi coassiali supporta la loro spiegazione. Non ho mai visto questo discusso in termini di ciò che accade su un PCB eccetto da un riferimento di esperti, ma la risposta per i PCB si ricollega alla struttura interna e alle caratteristiche elettriche dei circuiti logici comuni. Se sei pronto per una lezione di storia sul valore di impedenza a 50 Ohm, allora continua a leggere. Esamineremo anche lo standard a 75 Ohm per vedere cosa possiamo imparare sul trasferimento di segnale e potenza sugli interconnettori RF.

Storia dei cavi coassiali e dell'impedenza di 50 Ohm

La storia dell'impedenza di 50 Ohm risale alla fine degli anni '20/inizio degli anni '30, quando l'industria delle telecomunicazioni era ancora agli albori. Gli ingegneri progettavano cavi coassiali riempiti d'aria per trasmettitori radio progettati per erogare potenze dell'ordine dei kW. Questi cavi dovevano anche coprire lunghe distanze, raggiungendo centinaia di miglia. Ciò significa che i cavi dovevano essere progettati per ottenere il massimo trasferimento di potenza, la massima tensione e la minima attenuazione. Quale impedenza doveva essere utilizzata per soddisfare tutti e tre gli obiettivi?

Come si scopre, è impossibile bilanciare tutti e tre gli obiettivi, proprio come in molti altri problemi di progettazione.

• Minore perdita: Questo dipende dalle perdite nel dielettrico interno in un cavo coassiale. Per il coassiale riempito d'aria, ciò si verifica a circa 77 Ohm, o a circa 50 Ohm per alcuni cavi riempiti con dielettrico specifico (maggiori dettagli di seguito).
• Massima tensione: Questo si basa sul campo elettrico tra il conduttore centrale e le pareti laterali nel cavo coassiale riempito d'aria. Il campo elettrico nella modalità TE10 è massimizzato quando il conduttore è costruito in modo tale che la sua impedenza sia di circa 60 Ohm.
• Massimo trasferimento di potenza: I cavi coassiali di qualsiasi dimensione potrebbero essere abbastanza lunghi da comportarsi come linee di trasmissione e supportare la propagazione delle onde. La potenza trasportata da un cavo coassiale è limitata dal campo di rottura e dall'impedenza del cavo: V2/Z. Risulta che, per il coassiale riempito d'aria operante al di sotto del taglio TE11, il trasferimento di potenza è massimizzato a circa 30 Ohm.

Il grafico sottostante mostra il compromesso tra perdite e potenza. Il file sottostante è fornito da Wikimedia, ma è possibile trovare grafici simili da molte altre fonti. È possibile calcolare anche le perdite utilizzando l'impedenza, la rugosità del rame/l'effetto pelle e l'assorbimento dielettrico e generare un grafico simile specificamente per i cavi coassiali. Il calcolo della potenza richiede l'uso della soluzione completa per la modalità fondamentale di propagazione e l'impedenza caratteristica.

Un punto da comprendere riguardo al grafico sopra è che la dispersione dielettrica generalmente non è inclusa e influenzerà i risultati alle frequenze più elevate. La dispersione (sia il valore Dk che l'angolo di perdita) sono considerati avere una dispersione piatta nel calcolo di queste curve, il che potrebbe non corrispondere alla realtà all'interno del vostro intervallo di frequenza. Tuttavia, la curva ci dà una buona idea del perché ci sia l'enfasi sull'impedenza da 50 Ohm.

Compromesso o Dielettrico?

La risposta rapida a questa domanda è che 50 Ohm rappresentano il meno cattivo compromesso tra l'impedenza corrispondente alla minima perdita, massima potenza e massima tensione. Infatti, 50 Ohm si avvicinano abbastanza alla media tra 77 e 30 Ohm, ed è vicino a 60 Ohm, quindi sembra naturale assumere che questa sia la ragione per lo standard di impedenza di 50 Ohm. Tuttavia, si potrebbe notare che l'impedenza con la minima perdita in un cavo coassiale riempito di PTFE è proprio di circa 50 Ohm, quindi questa sembra un'altra spiegazione naturale!

E l'Impedenza di 75 Ohm?

Si scopre che il valore della tensione è di minore importanza; si è preoccupati o di trasportare potenza, di minimizzare le perdite, o di cercare di bilanciare i due aspetti. I cavi coassiali a basso costo con aria o riempitivo dielettrico a basso Dk possono puntare a un'impedenza di 77 Ohm per lunghe distanze, ma il motivo per cui si arrotonda a 75 Ohm invece di usare 77 Ohm è ancora un mistero per me. Si potrebbe pensare che 75 Ohm sia un numero bello arrotondato che è facile da ricordare, mentre un articolo esterno su Microwaves 101 sostiene che questo fosse un design intenzionale. Nei cavi coassiali con nucleo in acciaio, il diametro è appena leggermente sovradimensionato per dare un po' di flessibilità in più, quindi l'impedenza risulterebbe essere di 75 Ohm. Se questo sia vero o meno, non posso confermarlo, ma accoglierei volentieri chiunque mi contatti su LinkedIn con la risposta!

Trasformazione delle Impedenze di Riferimento

Quando si lavora con canali ad alta velocità o ad alta frequenza, generalmente utilizziamo misurazioni dei parametri S come importanti metriche di integrità del segnale. Questi sono definiti in termini di un'impedenza di riferimento, che normalmente viene presa come uno dei valori sopra indicati (50 o 75 Ohm) poiché potresti interfacciarti con uno di questi mezzi nel tuo sistema ad alta velocità/RF. Preferisco pensare all'impedenza di riferimento in termini della tua impedenza di terminazione desiderata; stai puntando a un'impedenza di 75 o 50 Ohm su ogni porta, e le misure dei parametri S ti mostrano come ti sei discostato da questo obiettivo nel tuo progetto.

Se hai una matrice di parametri S misurata per un interconnessione sul tuo PCB, puoi trasformarla in una nuova matrice di parametri S con la seguente trasformazione:

Questo è utile per comprendere come i tuoi parametri S potrebbero cambiare quando passi da un mezzo di riferimento all'altro (ad esempio, tra un cavo con impedenza di 75 e 50 Ohm). Utilizzando il termine "mezzo di riferimento", stiamo facendo un confronto tra il nostro DUT/interconnessione e un cavo idealizzato da 50/75 Ohm, una porta da 50/75 Ohm, o un altro componente con impedenza di ingresso da 50/75 Ohm.

Se hai bisogno di progettare per un'impedenza di 50 Ohm o per un altro valore, le funzionalità di layout PCB in Altium Designer® includono gli strumenti di cui hai bisogno per il design ad alta velocità e il design RF. Puoi accedere al risolutore di campo 3D di Simberian integrato nel Gestore del Pacchetto Strati per implementare il controllo dell'impedenza nel tuo stackup PCB.

Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi condividerlo, la piattaforma Altium 365™ rende facile la collaborazione con altri progettisti. Abbiamo appena sfiorato la superficie di ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Puoi consultare la pagina del prodotto per una descrizione più approfondita delle funzionalità o uno dei Webinar On-Demand.