Tajemnicza impedancja 50 omów: Skąd się wzięła i dlaczego jej używamy

Gdy mówimy o parametrach S, dopasowaniu impedancji, liniach transmisyjnych i innych podstawowych pojęciach w projektowaniu PCB dla RF/wysokich prędkości, pojawia się koncepcja impedancji 50 omów. Przeglądając standardy sygnalizacji, karty katalogowe komponentów, noty aplikacyjne i wytyczne projektowe w internecie, to jedna wartość impedancji, która pojawia się wielokrotnie. Skąd więc wziął się standard impedancji 50 omów i dlaczego jest ważny? Rozpatrywane izolacyjnie, wybór impedancji 50 omów wydawałby się całkowicie arbitralny: dlaczego nie 10 omów lub 100 omów?

Odpowiedź w dużej mierze zależy od tego, kogo zapytasz. Społeczność RF, a w szczególności projektanci kabli, mają najlepszą odpowiedź, a ich analiza kabli koncentrycznych potwierdza ich wyjaśnienie. Nigdy nie widziałem, aby to było omawiane w kontekście tego, co dzieje się na PCB, poza jednym ekspertyzowym źródłem, ale odpowiedź dla PCB odnosi się do wewnętrznej struktury i charakterystyk elektrycznych powszechnych układów logicznych. Jeśli jesteś gotowy na lekcję historii na temat wartości impedancji 50 omów, to czytaj dalej. Przyjrzymy się nawet standardowi 75 omów, aby zobaczyć, co możemy dowiedzieć się o transmisji sygnału i mocy na połączeniach RF.

Historia kabli koncentrycznych i impedancji 50 omów

Historia impedancji 50 omów sięga późnych lat 20./wczesnych lat 30. XX wieku, kiedy przemysł telekomunikacyjny był w powijakach. Inżynierowie projektowali kable koncentryczne wypełnione powietrzem dla nadajników radiowych zaprojektowanych do generowania mocy rzędu kilowatów. Kable te miały również pokonywać długie dystanse, sięgające setek mil. Oznacza to, że kable muszą być zaprojektowane z myślą o najwyższym transferze mocy, najwyższym napięciu i najniższym tłumieniu. Która impedancja powinna być użyta, aby zaspokoić wszystkie trzy cele?

Okazuje się, że niemożliwe jest zrównoważenie wszystkich trzech celów, podobnie jak w wielu innych problemach projektowych.

• Najmniejsze straty: Zależą one od strat w dielektryku wewnętrznym w kablu koncentrycznym. Dla kabla koncentrycznego wypełnionego powietrzem, ma to miejsce przy około 77 omach, lub przy około 50 omach dla niektórych kabli wypełnionych dielektrykiem (więcej na ten temat poniżej).
• Najwyższe napięcie: Jest to oparte na polu elektrycznym między przewodnikiem centralnym a ściankami bocznymi w kablu koncentrycznym wypełnionym powietrzem. Pole elektryczne w trybie TE10 jest maksymalizowane, gdy przewodnik jest skonstruowany tak, że jego impedancja wynosi około 60 omów.
• Najwyższa moc przekazu: Kable koncentryczne o dowolnym rozmiarze mogą być na tyle długie, aby działać jak linie transmisyjne i wspierać propagację fal. Moc przenoszona przez kabel koncentryczny jest ograniczona przez pole przebicia i impedancję kabla: V2/Z. Okazuje się, że dla kabla koncentrycznego wypełnionego powietrzem, działającego poniżej granicy TE11, przekaz mocy jest maksymalizowany przy około 30 omach.

Poniższy wykres pokazuje kompromis między stratami a mocą. Plik poniżej jest dostarczony przez Wikimedia, ale podobne wykresy można znaleźć w wielu innych źródłach. Można również obliczyć straty, korzystając z impedancji, chropowatości miedzi/efektu skóry oraz absorpcji dielektrycznej i wygenerować podobny wykres specjalnie dla kabli koncentrycznych. Obliczenie mocy wymaga użycia pełnego rozwiązania dla podstawowego trybu propagacji oraz charakterystycznej impedancji.

Jedną z rzeczy, którą warto zrozumieć na temat powyższego wykresu, jest to, że zazwyczaj nie uwzględnia się dyspersji dielektrycznej, która wpłynie na wyniki przy wyższych częstotliwościach. Dyspersja (zarówno wartość Dk, jak i tangens kąta strat) jest przyjmowana jako płaska przy obliczaniu tych krzywych, co może nie odpowiadać rzeczywistości w zakresie twoich częstotliwości. Jednakże, krzywa daje nam dobry pomysł, dlaczego skupiamy się na impedancji 50 omów.

Kompromis czy dielektryk?

Szybka odpowiedź na to pytanie brzmi, że 50 omów to najmniej złe rozwiązanie kompromisowe między impedancją odpowiadającą minimalnym stratom, maksymalnej mocy i maksymalnemu napięciu. Rzeczywiście, 50 omów jest dość blisko średniej między 77 a 30 omami, i jest blisko 60 omów, więc wydaje się naturalne, że to jest powód dla standardu impedancji 50 omów. Jednakże, można zauważyć, że impedancja z minimalnymi stratami w kablu koncentrycznym wypełnionym PTFE wynosi właśnie około 50 omów, co wydaje się być kolejnym naturalnym wyjaśnieniem!

A co z impedancją 75 omów?

Okazuje się, że wartość napięcia ma mniejsze znaczenie; albo martwisz się o przesyłanie mocy, minimalizowanie strat, albo próbujesz zrównoważyć oba te aspekty. Tanie kable koncentryczne z powietrznym lub nisko-Dk dielektrykiem mogą dążyć do impedancji 77 Ohm dla długich odcinków kabli, ale powód zaokrąglenia do 75 Ohm zamiast używania 77 Ohm wciąż jest dla mnie zagadką. Można by pomyśleć, że 75 Ohm to ładna zaokrąglona liczba, łatwa do zapamiętania, podczas gdy zewnętrzny artykuł na Microwaves 101 twierdzi, że było to zamierzone projektowanie. W kablach koncentrycznych z rdzeniem stalowym, średnica jest tylko nieznacznie powiększona, aby dać trochę dodatkowej elastyczności, więc impedancja wynosiłaby 75 Ohm. Nie mogę potwierdzić, czy to prawda, ale chętnie przyjmę informacje od każdego, kto skontaktuje się ze mną na LinkedIn z odpowiedzią!

Transformowanie Impedancji Referencyjnych

Pracując z kanałami o wysokiej prędkości lub wysokiej częstotliwości, zazwyczaj używamy pomiarów parametrów S jako ważnych wskaźników integralności sygnału. Są one definiowane w odniesieniu do pewnej impedancji odniesienia, która zwykle przyjmuje jedną z powyższych wartości (50 lub 75 omów), ponieważ możesz łączyć się z jednym z tych mediów w swoim systemie wysokiej prędkości/RF. Wolę myśleć o impedancji odniesienia w kontekście pożądanej impedancji zakończenia; dążysz do uzyskania impedancji 75 lub 50 omów na każdym porcie, a pomiary parametrów S pokazują, jak odbiegłeś od tego celu w swoim projekcie.

Jeśli masz zmierzony macierz parametrów S dla połączenia na swojej płytce PCB, możesz przekształcić ją na nową macierz parametrów S za pomocą następującej transformacji:

To jest przydatne do zrozumienia, jak mogą zmienić się twoje parametry S, gdy zmienisz medium odniesienia (np. między kablem o impedancji 75 a 50 Ohm). Używając terminu „medium odniesienia”, dokonujemy porównania między naszym DUT/łączem a zidealizowanym kablem 50/75 Ohm, portem 50/75 Ohm lub innym komponentem z impedancją wejściową 50/75 Ohm.

Niezależnie od tego, czy potrzebujesz zaprojektować impedancję 50 Ohm czy jakąś inną wartość, funkcje układu PCB w Altium Designer® zawierają narzędzia, których potrzebujesz do projektowania wysokich prędkości i projektowania RF. Możesz uzyskać dostęp do zintegrowanego rozwiązania 3D field solver od Simberian w Menedżerze Stosu Warstw, aby zaimplementować kontrolę impedancji w twoim stosie PCB.

Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał podzielić się swoim projektem, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę z innymi projektantami. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub obejrzeć jeden z Webinarów na Żądanie.